В термос налили горячую воду и холодную воду в два раза большей массы: В термос налили горячую воду и холодную воду в два раза большей массы …

Задача 96. Холодная вода теплее горячей. Раритетные издания. Наука и техника

Пётр Маковецкий. Смотри в корень! Сборник любопытных задач и вопросов

А.

Имеется один литр горячей воды с температурой t₁ и один литр холодной с температурой t₂. При помощи горячей воды нагревают холодную. Можно ли сделать так, чтобы окончательная температура литра нагреваемой воды стала выше окончательной температуры нагревающей воды?

Б.

Обычно немедленно и категорически отвечают:

– Нельзя! Процесс теплопередачи прекратится, когда температура обоих литров воды станет одинаковой. Чтобы процесс шел дальше, нужно, чтобы тепло передавалось от холодного тела к более горячему, а это противоречит второму началу термодинамики! Если бы это было возможно, то возможен был бы и «вечный двигатель».

Мы уважаем второе начало термодинамики и вовсе не предлагаем вам его нарушить. Клаузиус прав*! Тем не менее рекомендуем вам попытаться изобрести способ решить задачу. Малую часть (1 см³) холодной воды с помощью литра горячей мы могли бы нагреть почти до

t₁. Вот стóящая идея! Надо попробовать разделить нагреваемую воду на части и нагревать их поочередно.

* По крайней мере пока речь идет о литре, а не о десятке-другом молекул воды.

В.

Пусть же вихрем сабля свищет!
Мне Костаки не судья!
Прав Костаки, прав и я!

Козьма Прутков. «Новогреческая песнь».

Пусть в термосе А (рис. 143) находится горячая вода, в термосе Б – холодная. Нальем в сосуд В с тонкими теплопроводными стенками часть холодной воды и опустим сосуд В в горячую воду (термос А). Через некоторое время температура воды в А и В сравняется, причем установится некоторая промежуточная температура x, так что

t₁ > x > t₂.

Выльем нагретую до x воду из В в термос Г. Нальем в сосуд В оставшуюся холодную воду (с температурой

t₂) и опять погрузим В в А. Температура в А и В снова сравняется и станет равной y, причем x > y > t₂.

Рис. 143. Процессы, происходящие при разделении нагреваемой воды

Перельем воду из В в Г. Там в результате смешивания обеих частей нагреваемой воды, имеющих температуры x и y, получим некоторую среднюю температуру z:

x > z > y.

В воде же, которая была горячей, установится температура у, которая меньше z. Именно это и требовалось условиями задачи. Проследите еще раз за всеми рассуждениями, чтобы убедиться, что мы не нарушали законов термодинамики, а, наоборот, все время ими руководствовались.

Пример: если t₁ = 95°C и t₂ = 5°C, то, разделяя холодную воду на две равные части и применяя к ней изложенную выше процедуру, имеем

x = (2t₁ + t₁) / 3 = (2 · 95 + 5) / 3 = 65°C;

y = (2x + t₂) / 3 = (2 · 65 + 5) / 3 = 45°C.

Это и будет окончательная температура «горячей» воды. А для «холодной»:

z = (x + y) / 2 = (65 + 45) / 2 = 55°C > 45°C.

Из-за неизбежных потерь тепла на нагрев посуды эта разница (а главным образом сами значения y и z) будет несколько меньше. Но знак неравенства сохранится.

То же самое произошло бы, если бы мы разделили пополам не холодную, а горячую воду.

Отметим, что, разделяя холодную воду не на две, а больше частей, можно получить окончательную ее температуру еще более высокой. Эта возможность в более совершенном воплощении используется в технике при теплопередаче от одного жидкого или газообразного тела к другому. Если нагреваемую и нагревающую жидкости пустить по внутренней

Б и внешней А трубам попутно (рис. 144, а), то на выходе температура обеих жидкостей будет приблизительно одинаковой. Если же пустить жидкости по трубам навстречу друг другу (рис. 144, б), то при достаточно длинных трубах и правильно выбранных сечениях и скоростях жидкостей последние почти целиком обменяются температурой (не считая начальной и конечной порций воды, соответствующих переходным процессам включения и выключения установки).

Рис. 144. Процессы, происходящие в установке с разделением потоков воды: а) нагреваемая и нагревающая жидкости движутся попутно; б) жидкости движутся навстречу

На графиках по оси абсцисс отложено расстояние вдоль трубы, по оси ординат – температура. Стрелками в трубах показано направление движения жидкости, стрелками на кривых – ход температуры. Из рис. 144, б видно, что z >> y, т.е. окончательная температура нагреваемой жидкости существенно выше окончательной температуры нагревающей.

В таком виде задача впервые была опубликована автором в журнале «Физика в школе» (1956, №3). В дальнейшем, при перепечатке в сборниках парадоксов, некоторые из авторов сделали к ней небольшое дополнение, к сожалению, ошибочное. О нем сейчас пойдет речь.

Вернемся от труб со встречными потоками жидкостей к двум неподвижным литрам и рассмотрим вопрос: что будет, если холодную (или горячую) воду разделить не на две, а на десять, сто, тысячу или более частей? Интуитивно чувствуется, что температура холодной воды будет все выше и выше. Что же будет при бесконечно мелких частях? Загипнотизированные случаем с трубами, все в один голос заявляют, что горячая и холодная вода полностью (или «почти полностью») обменяются температурой!

То, что это неверно, легко показать без всяких вычислений. Только первая бесконечно малая порция холодной воды приобретет первоначальную температуру горячей. Последняя же порция приобретет температуру, равную

окончательной температуре горячей. Значит, различные части холодной воды нагреются до разных температур, при их смешении температура окажется некоторой средней. А чтобы холодный литр приобрел первоначальную температуру горячего, нужно, чтобы эту температуру приобрели все его порции, что невозможно.

Теперь немного вычислений. Пусть t₁ = 100°C и t₂ = 0°C (с такими круглыми цифрами легче считать). Разделив холодную воду на десять равных частей, после первого теплообмена получаем температуру горячей воды

x₁ = 10 / (10 + 1) t₁,

после второго

x₂ = (10 / 11) x₁ = (10 / 11) 2t₁,

а после десятого

y = x₁₀ = (10 / 11)¹⁰t₁ ≈ 100°C / 2,59 ≈ 38,5°C.

Окончательную температуру «холодной» воды можно найти смешивая все ее десять частей:

z = (x₁ + x₂ + … + x₁₀) / 10.

Но еще проще ее найти из того условия, что при равенстве масс и теплоемкостей холодная нагреется на столько, на сколько остынет горячая, т.е.

z = t₂ + (t₁ – y) = 0 + 100 – 38,5 = 61,5°C.

Любопытно, что дальнейшее дробление холодной воды уже мало что дает для ее нагрева: разделив на сто частей, мы получили бы

y = x₁₀₀ = (100 / [100 + 1])¹⁰⁰t₁ ≈ 37,2°C; z ≈ 62,8°C.

Это только на 1,3°C выше, чем при делении на 10 частей. В общем случае, деля воду на n равных частей, мы получаем

y = xn = (n / [n + 1])ⁿ t₁ = ([n + 1] / n) – n t₁ = (1 + [1/

n])^–nt₁.

Студенты первого курса института уже знают (а школьники узнают, когда будут студентами), что знаменатель последнего выражения при неограниченном возрастании n не растет неограниченно, а стремится к вполне определенному числу. Это число для математики и физики не менее важно, чем знаменитое число π, и, подобно π, этому числу дано свое обозначение. Его называют основанием натуральных логарифмов и обозначают буквой e:

e = 2,71828…

Итак, окончательная температура «горячего» литра не может спуститься ниже

y = t₁ / e = 100 / 2,71828… = 36,787…°C*,

* То, что это число неплохо совпадает с такой важной константой, как нормальная температура человеческого тела, читателей, склонных к мистике может настроить на размышления о гармонии, ниспосланной свыше. Чтобы подлить масла в лампаду, отметим, что совпадение имеет место на всех шкалах температуры, в том числе Реомюра, Фаренгейта и Кельвина. Однако магическую силу этого числа в корне подрывает то обстоятельство, что у кур, например, нормальная температура 42°C. Правда, можно возразить, что венцом мироздания являются все-таки не куры, а человек. Но такое возражение в данном случае не имеет силы, так как оно сделано человеком. Вполне возможно, что куры об этом иного мнения. Впрочем, может быть, в формулу нужно подставлять температуру плавления и кипения не воды, а растворов солей, входящих в состав человеческой и соответственно куриной крови, – и мы получим физико-физиологический закон, которому подчиняются все теплокровные животные?

а «холодного» – подняться выше z = 100 – 36,787 = 63,213°C, т.е. литры не обменялись температурами ни полностью, ни «почти полностью». Отметим, что эти цифры получены в предположении, что теплоемкость воды не зависит от температуры, что не совсем верно.

В общем случае, когда температура «холодной» воды не 0°C, а

t₂, формула для окончательной температуры «горячей» воды имеет вид

y = (t₁ – t₂) / e + t₂.

Мы рассмотрели случай, когда на части делится или холодная или горячая вода. Читатель В.Д. Шнайдер (Дубна) показал, что если на части делится и холодная и горячая вода, то теплообмен происходит глубже. Однако для этого нужно не только разделить оба литра на порции, но еще и делать теплообмен встречно: выстроить из горячих порций один «поезд», а из холодных – другой, и пустить эти «поезда» навстречу друг другу по теплообменнику. Нетрудно видеть, что, мельча порции до бесконечно малых и двигая их навстречу друг другу, мы получаем теплообменник рис. 144, б, работа которого уже описана и который действительно лучше в силу встречности потоков.

 

• Задача 97. Не пейте сырой воды

• Оглавление

Дата публикации:

19 ноября 2005 года

Как правильно выбрать, чтобы было «тепло и сухо»? Обзор коллекции термосов в «Канте»

Термос давно уже стал неотъемлемой частью привычного для нас снаряжения – походного, особенно в зимнее время, и не только. Его можно взять с собой везде – когда мы путешествуем в автомобиле или на поезде, идем на тренировку или на работу. Летом в него можно залить минеральную воду, лимонад, холодный чай, чтобы позднее утолить жажду охлаждающей живительной влагой. Однако чаще всего термос используют для сохранения горячей температуры содержимого. В осеннюю или в зимнюю погоду бульон, чай или кофе во время пешей прогулки согревают изнутри и делают отдых на свежем воздухе намного более приятным и комфортным. А в зимнем походе, экспедиции, на альпинистском восхождении или в любом другом длительном путешествии термос и вовсе незаменим для выживания. Вскипятить кружку воды на морозе не так уж легко, гораздо проще залить утром горячий чай в термос, чтобы пить в течение дня на привалах.

Почему одни термосы долго удерживают температуру, а другие нет?

Всем известно, что термосы позволяют сохранять холодные напитки холодными, а горячие – горячими, но как это работает? Не вдаваясь в подробное описание физики процесса скажем только, что эффект дает продуманная система изоляции между теплым иди холодным содержимым термоса и внешней средой. В основе простой системы – два слоя изолирующего материала (стекло, сталь, пластик и т.д.), между которыми создан вакуум. Благодаря тому, что в вакууме (который, как известно – лучший теплоизолятор) отсутствует какой-либо воздух, соответственно – теплопотеря не происходит, что позволяет удерживать исходную температуру напитков или еды достаточно длительное время внутри колбы без изменений.

От сосуда Дьюара до марки Thermos

Изобретение колбы с двойными стенками, которая отлично справлялась с поддержанием исходной температуры содержимого, произошло более 100 лет назад. Изначально целью были отнюдь не бытовые нужды. Началось все с физиков, которые искали способ сохранения газов: водорода и азота – в жидком агрегатном состоянии. Сначала немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд нашел эффективный способ противодействия теплообмену между субстанцией и окружающей средой, изобретя ящик с двойными стенками, из герметичного пространства между которыми выкачан воздух – нет воздуха, нет молекул, нет теплообмена. Затем сэр Джеймс Дьюар, шотландец и естествоиспытатель, создал уже не ящик, а грушевидную колбу с очень узким горлом, напоминающую греческий кувшин для вина, поскольку в изотермической вакуумированной емкости главные теплопотери в результате теплообмена между содержимым и окружающей средой происходят именно через горловину сосуда. В январе 1893-го он представил сосуд на открытой лекции в Лондонском Королевском университете.

Официально же нынешняя бытовая изотермическая фляга была запатентована под торговой маркой Thermos в 1904 году учеником Дьюара – Рейнольдом Бергером, которому пришла в голову идея использовать вакуум не только для сжиженных газов, но и для того, чтобы наливать и носить с собой горячий чай и кофе, сохраняя их аромат.

Взяв за основу идею сосуда Дьюара, Бергер решил массу важных инженерных задач:

• шарообразную грушевидную емкость заменил на продолговатый цилиндр;
• вставил стеклянную колбу в жестяной кожух, используя сложную систему амортизаторов, которая крепила ее внутри кожуха и берегла от сотрясений.
• приспособил продладку из пробкового дерева, которая создавала дополнительную теплоизоляцию «незащищенному» горлышку.
• для дополнительной защиты добавил сверху навинчивающийся колпачок, который также становился удобным стаканчиком.

Теперь, 100 лет спустя, мы используем все ту же конструкцию, созданную Бергером, которую прозвали «термосом» по названию зарегистрированной им торговой марки Thermos. Название придумал некий мюнхенец, выигравший открытый конкурс: в переводе с греческого «therme» – тепло, горячо. Теплосберегающие бутыли стали продавать по всему миру, на них красовалось имя компании – «Thermos Gmbh». Поэтому все и начали называть их термосами, так как других альтернатив и конкурирующих производителей на тот момент не было.

Современные термосы фирмы Thermos в магазинах КАНТ

Бутылки Стэнли

Cтальную вакуумированную колбу в своих «термосах» применил изобретатель из США Уильям Стенли-младший, владелец Stanley Electric Manufacturing Company, выпускавшей электротрансформаторы. В 1913 году он экспериментировал с вакуумной сваркой и неожиданно сумел сварить вакуумированную фляжку с двойными стенками. К середине 1915-года производство «бутылок Стэнли» было поставлено на поток, а к окончанию Второй мировой войны термосы Stanley стали в Северной Америке культовой вещью. Хотя бы один такой бытовой предмет был в каждой семье. В связи с долгоживучестью их передавали по наследству. Тот же Thermos сумел обойти патентные ограничения на колбы из стали лишь в 1966 году и принялся активно их внедрять. В наше время стальные термосы – стандарт, практически полностью вытеснивший классические термосы с зеркальными стеклянными колбами.

Все термосы фирмы Stanley в магазинах КАНТ

Итак, зная принцип действия термоса, несложно понять, что чем надежнее вакуумная изоляция, тем дольше содержимое защищено от влияния атмосферной температуры.

Потери «тепла/холода» могут происходить, например, из-за:

• недостаточной вакуумной прослойки между двумя стенками или плохой сварки в случае некачественных моделей;
• слабого уплотнения в области завинчивающейся пробки;
• нарушения изоляции во время взаимодействия с атмосферным воздухом при отвинчивании пробки и переливании содержимого в кружку.

Чем чаще отвинчивать пробку у термоса и наливать из него содержимое, тем больше оставшаяся часть жидкости взаимодействует с окружающим воздухом и быстрее остынет или нагреется. При этом чем выше или ниже внешняя температура, тем быстрее произойдет этот процесс. Особенно актуально для горячих напитков. Чтобы избежать потерь тепла, производители оснащают завинчивающуюся пробку термоса различными вариантами кнопочных клапанов, чтобы можно было наливать чай и кофе, не отвинчивая и не вынимая всю пробку.

Термосы Primus C&H Vacuum Bottle с клапаном, оснащенным функцией Quick-stop

Из каких материалов производят современные термоемкости?

Нержавеющая сталь

Большинство современных термосов изготовлены из нержавеющей стали. В чем ее преимущества?

• Легко чистить.
• Не ржавеет.
• Не впитывает запахи и не выделяет вредных химикатов в жидкость.
• Довольно прочная.

Но все же не стоит думать, что раз это сталь, то она совсем уж неубиваемая, и пытаться топтаться по термосу кошками, бросать на него камни или забивать им колышки для палатки, используя в качестве походного молотка. В результате таких манипуляций на колбе могут образовываться вмятины. Хоть это и сталь, но для изготовления термоса берется тонкий лист. Если сделать его из более толстого куска железа, то вы будете носить в своем рюкзаке за плечами гирю.

Пластик

Изделия с пластиковым корпусом более легкие, но и более хрупкие, а главное, хуже «держат» температуру. Его в основном применяют не в походных девайсах, а для изготовления термокружек, которые используют в повседневной жизни, например, чтобы сохранить кофе горячим по пути от кафе до офиса, от ж/д вокзала до вагона поезда или от автозаправки до салона своего автомобиля. Либо, наоборот, дабы не обжечь руки, как это происходит, когда горячий напиток налит в бумажный стаканчик. При покупке термокружки из пластика важно обращать внимание на состав, так как некоторые виды пластиков выделяют вредные химические вещества, такие как бисфенол A (BPA).

Стекло

Самые первые колбы в термосах были из стекла, посеребренного изнутри до зеркального состояния. Теперь они уходят в прошлое и если используются, то чаще всего в качестве бытовых. В походных условиях такие модели абсолютно неприменимы, так как стекло очень хрупкое и может в любой момент разбиться.

Другие материалы

Помимо обычных встречаются термосы из меди, силикона и прочей «экзотики», но все это единичные изделия, интересные скорее с познавательно-экспериментаторской точки зрения.

Основные разновидности изотермической посуды

Классический термос для напитков

Узкая фляга из нержавеющей стали для горячих и холодных напитков, чаще всего объемом от 0,5 л до 1 л. В некоторых термосах температура поддерживается больше 24 часов, в других – жидкость может оставаться холодной в течение двенадцати, а горячей – примерно пять-пятнадцать часов.

При выборе термоса ориентируйтесь на свои потребности. Для легких прогулок или пробежек достаточно более короткого периода сохранения температуры, поэтому можно взять модель попроще и подешевле. Пол-литровый термос Арктика сититерм 500 мл сохранит необходимую температуру жидкости в течении дня.

Если вам нужен термос для длительных походов и путешествий, то не экономьте и купите тот, который будет держать напитки горячими как можно дольше. Например, термос Stanley Adventure 1L сохраняет тепло до 20 часов, а Stanley Master 0.75L – до 27 часов.

Ну а тем, кто отправляется в экстремальные походы, или рыбакам и охотникам, проводящим зимой долгие часы и дни около проруби или в засидке, можно порекомендовать термоса Арктика 106-й серии, выпускаемые объемом 500 мл, 750 мл, 900 мл, 1200 мл и 1600 мл. В литровом термосе (0,9 л) чай останется горячим почти полутора суток, а полуторалитровом (1,6 л) – целых 40 часов.

Высокая термостойкость достигается благодаря применению технологии ARCTICA STORM – утолщение стенок и углубление степени вакуума, а также глухой пробке с термоизолятором. Многие потребители отмечают, что заявленные цифры соответствует действительности, а также прочность моделей данной серии и высокое качество молотковой эмали, которой покрыта внешняя колба термосов.

У данной серии термосов отечественного бренда есть еще одна особенность, до которой не додумались еще флагманы термосоиндустрии – наличие специальной пробки с ситечком. Многие любят заваривать настоящий листовой чай или травяной. Если насыпать сухие листья прямо в колбу и наливать потом через пробку с клапаном, то она будет забиваться травой. Да и длительное нахождение листьев в вакуумном термосе приведет к их перепреванию, что не лучшим образом скажется на вкусовых качествах и полезных свойствах напитка. Поэтому обычно приходится некоторое время поколдовать – заварить в отдельной емкости, затем процедить и перелить в термос. В результате подобных манипуляций кипяток остывает и чай, залитый в термос, уже оказывается не 100-градусной температуры. Да и слишком хлопотно. Благодаря ситечку в пробке, можно насыпать заварку в него, закрыть крышку и – вуаля! Через какое-то время, просто выньте ситечко и используйте как обычную пробку.

Термос Арктика емкостью 1,2 л, укомплектованный пробкой-ситечком. Кстати, пробку-ситечко можно докупить к термосу отдельно и использовать его в следующих моделях термосов «Арктика»:

Емкость – еще один важный нюанс. Объем зависит от того, сколько вам необходимо жидкости в течение дня. Некоторые условные рекомендации:

• Для зимнего похода понадобится термос побольше, особенно если захочется поделиться своим напитком со всеми. Если весь груз вы несете на плечах, то выбирайте литровую модель. Если вещи находятся на санях, например, во время лыжного похода, или собачьих упряжках, лошадях и пр., то можно взять объем 1,5-2 литра.
• Для летнего похода в высокогорье, где лежит снег, а также треккинга на более низких возвышенностях и в равнинных походах в межсезонье оптимальный вариант 0.75 — 1 л.
• Во время хайкинга в районах с развитой инфраструктурой в любое время года, где по пути всегда можно пополнить емкость в хижинах и кафе, достаточно небольшого пол-литрового термоса.

Следует учитывать, что от объема зависит и вес, поэтому любители фаст-энд-лайт в любом случае предпочтут обойтись самым маленьким и легким вариантом. А если вы хотите прокачаться в походе как следует, то смело берите любой объем, в пути всегда найдется кто-то, кому захочется предложить чашечку горячего чая или кофейку. Термос Stanley Classic на полтора литра. И это не предел. Есть варианты на два литра более двух литров.

Термос для еды

Отличительная особенность – широкие колба и горловина, что позволяет наполнять емкость не только супом, но и класть в него свежеприготовленный гуляш или овощное блюдо, если вы вегетарианец, а также – легко проникать в термос ложками или вываливать содержимое термосов в тарелки или туристические миски. У термосов для еды хуже изоляция из-за широкой горловины, поэтому в летних экстремальных видах активного отдыха и спорта они нерациональны и практически не применимы – лишний вес и объем никто не захочет тащить. Зато пищевые термосы удобны во время пеших прогулок и бэкпэкинга – можно взять с собой полноценную еду, а не только бутерброды и перекус. Еще в них удобно брать ланч на работу и не тратить лишние деньги на то, чтобы поесть в кафе.

Лайфхак. В длительном зимнем походе загрузите с вечера в термос для еды не доваренную до готовности гречку с тушенкой, поставьте его в ноги спального мешка, и к утру получите распаренную вкусную кашу, как из армейской походной кухни.

Емкость изотермических пищевых контейнеров, как правило, от 250-300 до 700 мл. Какую выбрать? Если вы внимательно изучали меню в кафе, то обращали внимание на вес вторых блюд и объем в миллилитрах у супов. Минимальный объем маленького термоса 300-400 мл соответствует одной стандартной порции, поэтому он подойдет для одного обеда одного человека.

Если вы планируете обедать вдвоем или разделить взятую с собой еду на несколько приемов пищи, то стоит взять контейнер побольше.

Некоторые термосы для еды поставляются с большой крышкой, которую можно использовать как миску. Другие модели укомплектованы столовыми приборами. Например, Термос Thermos SK3021P 0.7L, в котором складная ложка компактно размещается в крышке. Это удобно, так как отсутствует необходимость брать лишнюю посуду, занимающую дополнительный объем в рюкзаке.

Как и при выборе любого термоса, важно, в течение какого времени контейнер для еды может сохранять пищу теплой. Одни – в течение 15 часов или даже дольше, другие только 5 часов или меньше. Некоторые условные рекомендации:

Те, кто внимательно читал статью с самого начала, помнят про теплопотери, которые происходят не только из-за конструктивных особенностей термоса, но и при отвинчивании пробки. Залив в большой термос бульон или жидкий супчик, чтобы холодным морозным днем зимней прогулки согреваться им на привалах, можно очень быстро обнаружить кусочки плавающего жира на поверхности остывшего бульона. Для таких ситуаций созданы универсальные модели с двойной конструкцией пробки, которая позволяет налить жидкую часть содержимого через узкое отверстие.

Термос Арктика с широким горлом универсальный:

Но стоит ли сильно гнаться за увеличением времени теплоизоляции еды? Длительное хранение бульона или овощного супа в горячем состоянии только улучшает его вкусовые качества. А вот макароны или рис в том же супе сильно разопреют. То же касается вторых блюд – жареная и вареная картошка, котлеты, тушеное мясо уже через 4-5 часов нахождения в горячем состоянии под плотно закрытой крышкой без доступа воздуха приобретают специфичный вкус «советской» столовской еды, который не всем может понравится. Хотя, если вы не гурман и для вас главное, чтобы еда была горячей, то однозначно выбирайте тот, что держит подольше.

Термосы для еды в КАНТе

Термокружки и термофляжки

В классическом термосе используется двойная система закрытия – пробка, которая ввинчивается внутрь, и навинчивающаяся сверху крышка, которая также выполняет функцию кружки. Но есть небольшие термофляжки, оснащенные комбинированной пробкой-крышкой с откидным верхом, и термокружки с только одной крышкой. И те, и другие помещаются в автомобильный подстаканник и в велосипедный флягодержатель, но на этом их сходство заканчивается.

Термофляжки обладают той же эффективностью, что и обычный термос, удерживая максимальную температуру по несколько часов. Отличительная особенность от классического термоса – маленький объем (400-600 мл), более легкий вес и встроенная поилка-непроливайка, с помощью которой можно пить прямо из колбы, не переливая жидкость в кружку.

Арктика

Stanley

Thermos

Термосы для детей

У всех детей дома есть своя любимая посуда – кружки и тарелки с зайчиками, мишками, сказочными персонажами или героями мультиков. Детям, которые познают мир через визуализацию, намного интереснее есть из яркой посуды, чем из классической и скучно-однотонной. Термос для вашего ребенка, собирается ли он с вами в путешествие или на природу, отправляется в детский сад, в школу, на тренировку, – должен быть, как и посуда, его личной вещью. Детские термосы отличает яркий дизайн, простота в использовании и небольшие объемы.

Детские термосы для еды:

Детские термосы для напитков:

Выбирай надежные бренды

В магазинах КАНТ представлены изотермические товары лидеров рынка – Thermos, Stanley, Primus, Arctica.

У каждого из них есть своя специализация. Thermos и Stanley – флагманы термостроения, их отличает наивысшее качество и разнообразие. Primus предпочтут выбрать альпинисты, так как именно он – культовый бренд для альпинистской касты, родоначальник бензиновых примусов. Ключевая аудитория бренда Arctica – туристы, рыболовы и охотники. Ну и каждый производитель изобретает нечто своё, с «изюминкой», отличающей именно этот бренд.

Автор: Ирина Морозова

38. Виды теплопередачи

945. В стакан налит горячий чай. Как осуществляется теплообмен между чаем и стенками стакана?
Посредством теплопроводности.

946. В каком случае процесс теплообмена произойдет быстрее, если в горячую воду наливать холодную; в холодную наливать горячую той же массы?
Если в горячую воду наливать холодную, процесс конвекции пойдет быстрее.

947. Почему в прудах, лунках, озерах лед появляется вначале на поверхности?
Поверхность воды обменивается (отдает тепло) теплом с холодным воздухом.

948. Почему нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе?
Теплопроводность воды выше, чем у воздуха.

949. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена.
Термометр изменяет свою внутреннюю энергию при взаимодействии с окружающей средой.

950. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?
В процессе конвекции раскаленный газ (пламя) поднимается вертикально вверх, вытесняемый более тяжелым холодным воздухом.

951. Зачем канализационные и водопроводные трубы зарывают в землю на значительную глубину?
Для уменьшения потери тепла в результате теплообмена труб с окружающей средой. Теплопроводность фунта достаточно низка.

952. Зачем ствол винтовки покрывают деревянной накладкой?
Теплопроводность дерева низкая и его используют при необходимости предохранения тела от перегрева.

953. Медный и стеклянный сосуды одинаковой массы и вместимости одновременно заполнили горячей водой. В каком сосуде быстрее закончится процесс теплообмена?
В медном, поскольку его теплопроводность выше.

954. Почему вы обжигаете губы, когда пьете чай из металлической кружки, и не обжигаете, когда пьете чай из фарфоровой кружки? (Температура чая одинаковая.)
Теплопроводность металла выше, чем у фарфора.

955. В каком чайнике вода скорее нагреется: в новом или старом, на стенках которого имеется накипь? (Чайники одинаковые.)
В новом. Его теплопроводность выше и поэтому теплообмен осуществляется быстрее.

956. Если температура в комнате 16 °С, то нам не холодно, но если войти в воду, температура которой 20 °С, то мы ощущаем довольно сильный холод. Почему?
Теплообмен человека с водой интенсивнее теплообмена человека с воздухом.

957. Если деревянный цилиндр, инкрустированный металлом, обернуть листом бумаги и подержать над пламенем спиртовки (рис. 259), то бумага обугливается сначала в местах, не соприкасающихся с металлом. Почему?
Дерево отводит теплоту от бумаги медленнее, чем металл, поскольку его теплопроводность ниже.

958. При одинаковой температуре (ниже температуры тела человека) кирпич на ощупь кажется теплее гранита. Какой из этих строительных материалов обладает лучшей теплопроводностью?
Гранит.

959. Зимой на улице металл на ощупь холоднее дерева. Какими будут казаться на ощупь металл и дерево в сорокаградусную жару? Почему?
Металл будет казаться теплее дерева, поскольку он обладает большей теплопроводностью.

960. В какой обуви больше мерзнут ноги зимой: в просторной или тесной?
В тесной, поскольку в ней нет воздушной прослойки, обладающей низкой теплопроводностью.

961. Почему шерстяная одежда сохраняет теплоту лучше, чем хлопчатобумажная?
Шерстяной ворс задерживает воздух, обладающий малой теплопроводностью, и уменьшает процесс конвекции.

962. Зачем на зиму приствольные круги земли у плодовых деревьев покрывают слоями торфа, навоза или древесных опилок?
Для задержки теплого воздуха путем уменьшения конвекции и теплопередачи.

963. По озеру на большой скорости идет катер. Как вы считаете, изменяется ли при этом внутренняя энергия той части воды в озере, которая отбрасывается винтом катера?
Да, за счет силы трения между винтом и водой.

964. Прежде чем налить в стакан кипяток, в стакан опускают чайную ложку. Объясните, для чего это делают.
Ложка обладает хорошей теплопроводностью и быстро отводит тепло. При резком изменении температуры стакан может лопнуть.

965. Зачем в странах Средней Азии местные жители во время сильной жары носят шапки-папахи и ватные халаты?
Благодаря одежде появляется воздушная прослойка, которая в значительной степени уменьшает теплообмен между телом человека и окружающей средой.

966. Почему снегозадержание, проводимое на полях в засушливых областях страны, не только хорошее средство накопления влаги в почве, но и средство борьбы с вымерзанием озимых посевов?
Рыхлый снег обладает плохой теплопроводностью и замедляет процесс теплообмена.

967. Изменится ли давление воды на дно сосуда (см. рис. 158), если перенести сосуд из теплой комнаты в холодную? Почему в теплой комнате в нижней части сосуда вода будет перемещаться слева направо?
Да. Воздух в левой части сосуда за счет внутренней энергии будет расширяться, увеличивая давление на воду. Она будет перемещаться слева направо.

968. Мальчик сделал термос (рис. 260). Объясните назначение мятой бумаги в крышке ящика, подушек, мятой бумаги, пересыпанной древесными опилками, в нижней части ящика.
Эти материалы уменьшает теплообмен колбы термоса с внешней средой.

969. Почему все пористые строительные материалы (пористый кирпич, пеностекло, пенистый бетон и др.) обладают лучшими теплоизоляционными свойствами, чем плотные стройматериалы?
В их порах содержится воздух, обладающий низкой теплопроводностью.

970. Мальчик зарисовал воробья (рис. 261) один раз летом, а другой раз зимой. Какой из рисунков сделан зимой?
Правый воробей нарисован зимой.

971. В каком направлении, вверх или вниз, движется вода в радиаторе при работе двигателя трактора (рис. 262)?
Опускается вниз, поскольку в радиаторе она охлаждается.

972. Объясните, почему батареи центрального отопления ставят обычно под окнами.
Холодный воздух, поступающий через окно, тяжелее теплого, и поэтому он опускается вниз, где нагревается от батареи центрального отопления.

973. Как образуются бризы? (Бризы — местные ветры, дующие днем с моря на сушу, а ночью с суши на море.)
Днем поверхность суши нагрета сильнее поверхности моря. Теплый воздух с суши поднимается и на его место устремляется более тяжелый и холодный воздух с моря. Ночью все происходит наоборот.

974. Зачем в верхних и нижних частях корпусов проекционных аппаратов, больших электрических фонарей, киноаппаратов делают отверстия?
Для их охлаждения. Если в нижней и верхней частях корпуса есть отверстия, то в нем возникает циркуляция воздуха. Нагретый воздух выходит через верхнее отверстие, а его место занимает холодный воздух, поступающий из нижнего отверстия.

975. В промышленных холодильниках воздух охлаждается с помощью труб, по которым течет охлажденная жидкость. Где надо располагать эти трубы: вверху или внизу помещения?
Охлаждающие устройства надо располагать вверху для осуществления естественной конвекции.

976. Сильная струя воздуха, которая идет на вас от настольного вентилятора, создает прохладу. Можно ли этой струей сохранить мороженое в твердом виде?
Нельзя, т.к. вентилятор нагнетает на мороженое воздух, температура которого все равно больше температуры таяния мороженого.

977. Почему в печах с высокими трубами тяга больше, чем в печах с низкими трубами?
Чем выше труба, тем больше разность давлений на ее концах. Тяга больше.

978. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах?
Высокая теплопроводность металла способствует большему охлаждению газов и уменьшению разности давлений на концах трубы. Тяга меньше.

979. Возможны ли конвекционные потоки в жидкостях или газах в искусственном спутнике Земли в состоянии невесомости? (Объясните почему.)
Нет, потому что конвекция осуществляется за счет силы Архимеда, которой не возникает в состоянии невесомости.

980. На рисунке 262 изображена упрощенная схема водяного охлаждения двигателя трактора, которая состоит из рубашки двигателя 1, радиатора 2, трубопровода и вентилятора 3. Объясните, как осуществляется охлаждение цилиндров двигателя. Что произойдет, если уровень воды в системе охлаждения опустится ниже патрубка верхнего бачка радиатора (уровень ав)?
Вода циркулирует по двигателю против часовой стрелки. Она нагревается в рубашке и охлаждается в радиаторе, благодаря чему возникает конвекция. Если вода опустится до уровня ab, ее циркуляция прекратится, двигатель перегреется.

981. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?
Грязный снег поглощает больше энергии излучения Солнца.

982. Зачем оболочку стратостата красят серебряной краской?
Для отражения солнечного излучения во избежание перегревания оболочки.

983. Какие почвы лучше прогреваются солнечными лучами: черноземные или подзолистые, имеющие более светлую окраску?
Черноземные.

984. Зачем в железнодорожных вагонах-ледниках, служащих для перевозки фруктов, мяса, рыбы и других скоропортящихся продуктов, промежутки между двойными стенками заполняют войлоком или несколькими слоями каких-либо пористых веществ, а снаружи вагоны окрашивают в белый или светло-желтый цвет?
Для уменьшения теплопередачи и передачи энергии посредством излучения.

985. В каком платье летним днем менее жарко: в белом или в темном? Объясните почему.
В белом, потому что оно поглощает меньше солнечной энергии, передаваемой посредством излучения.

986. Объясните назначение стеклянных рам в парниках.
Стеклянные рамы в парниках хорошо пропускают солнечное излучение, но препятствуют конвекции воздуха. Поэтому температура воздуха в парниках выше температуры внешней среды.

987. Почему вода в открытых водоемах нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша?
Вода лучше, чем суша, отражает солнечные лучи.

988. Почему горячая вода, оставленная в термосе, со временем охлаждается?
За счет медленных процессов теплопередачи.

989. Можно ли термос временно использовать для хранения мороженого?
Можно.

Как выбрать термос: советы

Приятно выпить в жаркую погоду стаканчик холодного сока или обычной воды. Точно такое же удовольствие доставляет глоток горячего чая в зимнюю пору. Термос — это простое, но гениальное изобретение, которое позволяет с большим комфортом путешествовать и некоторое время не заботиться о еде и напитках, а также о сохранении их температуры.

Покупка неправильного термоса приведет не столько к неприятным финансовым тратам, сколько к неожиданным ситуациям, которые могут возникнуть в ходе путешествия или простой поездки за город. В этой статье мы рассмотрим все виды термосов, а также дадим несколько рекомендаций относительно выбора и обратим внимание на некоторые мелочи.

Виды термосов

Мы привыкли, что термосы применяются, в основном, для сохранения температуры напитков в нужном для нас состоянии. На самом деле функционал таких устройств гораздо выше, поэтому они делятся на:

• Термосы для напитков. Как правило, это высокие сосуды с узким горлышком для удобного переливания жидкости в стаканчики. Чаще всего имеют двухуровневую систему закрытия: сначала завинчивается герметичная пробка с низкой теплопроводностью, а после сверху надевается специальная крышка, которую можно использовать в качестве сосуда для питья.
• Термосы для еды. В этом случае диаметр цилиндра больше, а сам термос ниже. Имеет широкое горлышко для более удобного доступа к пище. В таких сосудах можно носить с собой как мамин супчик, так и забить их доверху фрикадельками. Впрочем, с хранением питьевых жидкостей они также отлично справляются, но удобство несколько снижается.
  Также бывают пищевые термосы в виде коробочек, небольших кастрюлек и баков.

• Универсальные термосы. Нечто среднее между термосами для напитков и еды. Чаще всего секрет таких устройств заключается в их универсальной пробке: если ее полностью выкрутить, то можно получить доступ к пище богов (ведь именно такую готовит ваша жена). Если же пробку не откручивать до конца, или, реже, нажимать на ней специальный клапан, то с такой системой можно разливать жидкость по стаканчикам.
  Очень удобны для того, чтобы носить с собой еду или чай на работу, но сохраняют тепло хуже, чем специализированные термосы, поэтому для длительных поездок или путешествий они не очень подойдут
• Термокружки. Это, своего рода, миниатюрные термосы для тех, кому не нужно носить с собой большое количество напитков. Отлично пригодятся для похода в офис, начальство которого экономит на кофе и пряниках для подчиненных. Также с ними можно выбраться вечером за город, чтобы полюбоваться красивым закатом в клубах городского смога. Сохранят температуру на протяжении нескольких часов. Главное достоинство в том, что их можно в прямом смысле использовать в качестве кружки: они имеют ручку и из них удобно пить.

Колбы в термосах

Внутри любого термоса находится специальная колба, в которую и помещается пища, предназначенная для хранения. Между колбой и внешними стенками сохраняется вакуум, который нивелирует отдачу тепла от того, что находится внутри колбы.

Некоторые производители вместо вакуумирования используют теплоизоляционные материалы, но это может сказываться на массе термоса, а также на его способности сохранять температуру на нужном уровне.

Еще одна дешевая технология — заполнить пространство между внешними стенками и колбой обычным воздухом. Понятно, что о длительном сохранении температуры продуктов не может быть и речи.

Кратко говоря: лучше вакуума пока что ничего не придумали.

Колбы изготавливаются из двух видов материалов: стекла и нержавеющей стали. У обоих есть свои достоинства и недостатки.

• Стеклянные колбы, в основном, используются в термосах для хранения жидкостей. Сама колба покрывается специальным отражающим составом, уменьшающим потери тепла. Да и само стекло имеет меньшую теплопроводность, нежели сталь. Вы можете проверить это сами, потрогав рукой металлическую кружку с чаем, и после этого прикоснувшись к стеклянной: последняя обжигает меньше.

Безусловно, стекло менее прочное, нежели металл, но не настолько, чтобы бояться за его сохранность. В конце концов, пуленепробиваемые стекла тоже существуют, а обычная лампочка может выдержать массу взрослого человека.

Еще одно преимущество стеклянной колбы — ее низкая инертность. Это значит, что стекло с меньшей охотой вступает в химическую реакцию с разными средами, нежели те же металлы.

Стеклянные колбы плохо переносят перепад температур. Если в колбу, в которой только что хранился чай с температурой 90°С, налить ледяную жидкость, то есть вероятность форс-мажора. Колба попросту лопнет.

• Металлические колбы все же прочнее, да и хранить в таких устройствах пищу гораздо удобнее. Термосы с такими колбами подойдут для недолгих поездок, но брать с собой в горы сосуд с металлической колбой, когда каждый грамм в рюкзаке отзывается болью в ногах — не очень обдуманное решение.

Еще один недостаток металлической колбы — ее инертность. Даже нержавеющая сталь не любит повышенную кислотную среду, поэтому наливать в такие термосы ваши любимые соки, лимонный фреш и другие интересные напитки не вариант. Также металлы впитывают запахи и их сложнее мыть.

Сохраняют тепло хуже стеклянных колб из-за особенностей теплопроводности и более бурной реакции с газами.

Материал корпуса

В этом случае преимущества и недостатки каждого термоса очевидны.

Пластиковые термосы намного легче и удобнее в переноске, но за это приходится платить прочностью. Неосторожное движение, и вот уже ваш термос летит на землю с гулким «хрясь!» в конце. Всё! Вакуум нарушен, термос непригоден.

Вполне вероятно, что пластик просто спружинит от удара, выдержав его, но из-за бессердечной физики с большей вероятностью может пострадать колба внутри.

Металлические корпуса гораздо выносливее, они почти не контактируют с агрессивными средами, поэтому можно не беспокоиться за возможность возникновения коррозии. Недостаток металла в том, что он очень любит вмятины. Один неосторожный удар, и вернуть прежнюю красоту корпуса уже не удастся.

Пробки в термосах

Как утверждают сами производители термосов, почти треть тепла теряется через крышки, поэтому им надо уделять особое внимание.

• Крышка — самый распространенный вариант «затычки» для термоса. Как правило, не идет в одиночестве и используется в дуэте с дополнительной пробкой. Впрочем, в пищевых термосах пробка не всегда предусмотрена в конструкции для более удобного доступа к еде.

Также простой термос может быть оснащен открывающейся крышкой, чаще всего это используется в термокружках и дешевых устройствах, которые не предназначены для очень длительного сохранения тепла.

В термосах с дополнительной пробкой, крышка может быть использована в качестве чашки.

• Помповые пробки включают в себя специальный кран для подачи жидкости и пневматический насос. Термосы с таким пробками, как правило, достаточно большие и не подходят для путешествий пешком.
• Пробки с клапаном довольно удобны в обращении. Чтобы перелить жидкость в стакан, вам не нужно отвинчивать крышку, достаточно нажать кнопку. Потери тепла минимальны.
  Из минусов такой конструкции можно выделить то, что со временем в дешевом термосе клапан может начать протекать, поэтому экономить сосудах с этой системой не стоит.
• Пробка с язычком используется в спортивных термосах и термокружках. Чтобы начать пить из такого сосуда, достаточно сдвинуть «язычок» в сторону, не откручивая крышку.


• Откручивающиеся пробки удобны в обращении, но из-за того, что вам приходится их раз за разом вывинчивать, идет значительная потеря тепла жидкости. Производители исправляют этот недостаток с помощью использования пробок, которые не нужно откручивать до конца.

Заключение

Термос следует выбирать в зависимости от целей, которые вы преследуете.

— Для сохранения температуры напитков, которые вы повезете с собой на пикники, работу, или в другие места, пригодится термос со стеклянной колбой, которая не впитывает запахи и дольше сохраняет тепло и холод. Поскольку экстремальных нагрузок не предвидится, то пластикового корпуса будет достаточно. Что касается пробок, то здесь выбор исключительно на ваш вкус.

— Еще один вариант для походов на работу — хорошая термокружка. Нет нужды носить с собой полтора литра чая на рабочий день, если только у вас не наркотическая зависимость от этого напитка.

— Для путешественника подойдет термос с металлическим корпусом, который обязан выдерживать падение на суровые камни Джомолунгмы. Если вы готовы нести дополнительный вес, то и колбу тоже можно выбрать из нержавеющей стали.

Уже решили, где собираетесь наслаждаться горячим чаем и холодным лимонадом? Тогда приступайте к выбору термоса в каталоге онлайн-гипермаркета 21vek.by!

Выбрать термос
Смотрите также:
Как выбрать чайник
Как выбрать кофеварку или кофемашину
Как выбрать водонагреватель
Как выбрать обогреватель для дома и офиса

Рейтинг статьи:

 рейтинг: 4  голосов: 9 

Изменение температуры и теплоемкость

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Наблюдать за теплопередачей и изменением температуры и массы.
• Расчет конечной температуры после передачи тепла между двумя объектами.

Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагрев увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее. Мы предполагаем, что фазового перехода нет, и что система или система не выполняет никаких работ.Эксперименты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов: изменения температуры, массы системы, а также вещества и фазы вещества.

Рис. 1. Тепло Q , передаваемое для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также от вещества и фазы. (а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры. Чтобы удвоить изменение температуры массы m, вам нужно добавить в два раза больше тепла.(б) Количество передаваемого тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (c) Количество передаваемого тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется количество Q тепла, чтобы вызвать изменение температуры Δ T в данной массе меди, потребуется 10,8-кратное количество тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазы изменение любого вещества.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Поскольку (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и количеству атомов или молекул. Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, тепло пропорционально массе вещества и изменению температуры. Передаваемое тепло также зависит от вещества, так что, например, количество тепла, необходимое для повышения температуры, меньше для спирта, чем для воды.Для одного и того же вещества передаваемое тепло также зависит от фазы (газ, жидкость или твердое тело).

Теплопередача и изменение температуры

Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры включает все три фактора: Q = mc Δ T , где Q — символ теплопередачи, m — масса вещества и Δ T — изменение температуры. Обозначение c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ° C. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг К) или Дж / (кг ºC). Напомним, что изменение температуры (Δ T ) одинаково в единицах кельвина и градусов Цельсия. Если теплопередача измеряется в килокалориях, то единицей удельной теплоемкости является ккал / (кг ⋅ ºC).

Значения удельной теплоемкости обычно необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить.Как правило, удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 приведены типичные значения теплоемкости для различных веществ. За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в десять раз больше, чем у железа, что означает, что требуется в пять раз больше тепла, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и у стекла, и в десять раз больше. много тепла для повышения температуры воды, как для утюга.Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Пример 1. Расчет необходимого тепла: нагрев воды в алюминиевой кастрюле

Алюминиевая кастрюля массой 0,500 кг на плите используется для нагрева 0,250 литра воды с 20,0 до 80,0 ° C. а) Сколько тепла требуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (б) сковороды и (в) воды?

Стратегия

Кастрюля и вода всегда имеют одинаковую температуру.Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и кастрюли увеличивается на одинаковую величину. Мы используем уравнение теплопередачи для данного изменения температуры и массы воды и алюминия. Значения удельной теплоемкости воды и алюминия приведены в таблице 1.

Решение

Поскольку вода находится в тепловом контакте с алюминием, кастрюля и вода имеют одинаковую температуру.

Рассчитать разницу температур:

Δ T = T _f — T _i = 60.0ºC.

Рассчитайте массу воды. Поскольку плотность воды составляет 1000 кг / м ³ , один литр воды имеет массу 1 кг, а масса 0,250 литра воды составляет м _w = 0,250 кг.

Рассчитайте тепло, передаваемое воде. Используйте удельную теплоемкость воды в таблице 1:

.

Q _w = м _w c _w Δ T = (0,250 кг) (4186 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 62.8 кДж.

Рассчитайте тепло, передаваемое алюминию. Используйте удельную теплоемкость алюминия в таблице 1:

.

Q _Al = м _Al c _Al Δ T = (0,500 кг) (900 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 27,0 × 10 ⁴ Дж = 27,0 кДж . <

Сравните процент тепла, поступающего в сковороду, и в воду. Сначала найдите общее переданное тепло:

Q _Итого = Q _w + Q _Al = 62.8 кДж + 27,0 кДж = 89,8 кДж.

Таким образом, количество тепла, идущего на нагревание сковороды, равно

.

[латекс] \ frac {27.0 \ text {kJ}} {89.8 \ text {kJ}} \ times100 \% = 30.1 \% \\ [/ latex]

, а на подогрев воды —

.

[латекс] \ frac {62,8 \ text {кДж}} {89,8 \ text {кДж}} \ times100 \% = 69,9 \% \\ [/ latex].

Обсуждение

В этом примере тепло, передаваемое контейнеру, составляет значительную долю от общего переданного тепла. Хотя вес кастрюли в два раза больше, чем у воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия.Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевым поддоном.

Пример 2. Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной с веществом: перегрев тормозов грузовика на спуске

Рис. 2. Дымящиеся тормоза этого грузовика — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Тормоза грузовика, используемые для контроля скорости на спуске, работают, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала.Это преобразование предотвращает преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию грузовика. Проблема в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло передавалось от тормозов в окружающую среду.

Рассчитайте повышение температуры 100 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью 800 Дж / кг ºC, если материал сохраняет 10% энергии от грузовика массой 10 000 кг, спускающегося на 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Если тормоза не применяются, потенциальная гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При срабатывании тормозов потенциальная гравитационная энергия преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

Решение

1. Рассчитайте изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика с горы Mgh = (10,000 кг) (9.{\ circ} C \\ [/ латекс].

Обсуждение

Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик ехал какое-то время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше, чем температура окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к повышению температуры тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод непрактичен. Однако та же идея лежит в основе недавней гибридной технологии автомобилей, в которой механическая энергия (гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор).

Таблица 1. Удельная теплоемкость различных веществ
Вещества	Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества	Дж / кг ⋅ ºC	ккал / кг ⋅ ºC
Алюминий	900	0,215
Асбест	800	0,19
Бетон, гранит (средний)	840	0.20
Медь	387	0,0924
Стекло	840	0,20
Золото	129	0,0308
Человеческое тело (в среднем при 37 ° C)	3500	0,83
Лед (в среднем, от −50 ° C до 0 ° C)	2090	0,50
Чугун, сталь	452	0,108
Свинец	128	0.0305
Серебро	235	0,0562
Дерево	1700	0,4
Жидкости
Бензол	1740	0,415
Этанол	2450	0,586
Глицерин	2410	0,576
Меркурий	139	0,0333
Вода (15.0 ° С)	4186	1.000
Газы
Воздух (сухой)	721 (1015)	0,172 (0,242)
Аммиак	1670 (2190)	0,399 (0,523)
Двуокись углерода	638 (833)	0,152 (0,199)
Азот	739 (1040)	0,177 (0,248)
Кислород	651 (913)	0.156 (0,218)
Пар (100 ° C)	1520 (2020)	0,363 (0,482)

Обратите внимание, что Пример 2 является иллюстрацией механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы, а не механически.

Пример 3. Расчет конечной температуры при передаче тепла между двумя телами: заливка холодной воды в горячую кастрюлю

Допустим, вы залили 0,250 кг 20.0ºC воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, при температуре 150ºC. Предположим, что поддон стоит на изолированной подушке и выкипает незначительное количество воды. Какова температура, когда вода и поддон через короткое время достигают теплового равновесия?

Стратегия

Кастрюлю кладут на изолирующую подкладку, чтобы тепло не передавалось с окружающей средой. Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода.Затем теплообмен восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и поддон соприкасаются. Поскольку теплообмен между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испарившейся воды незначительна, а величина тепла, теряемого сковородой, равна теплу, полученному водой. Обмен тепла прекращается, когда достигается тепловое равновесие между кастрюлей и водой. Теплообмен можно записать как | Q _{горячий} | = Q _{холодный} .

Решение

Используйте уравнение теплопередачи Q = mc Δ T , чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечная температура: Q _{горячий} = м _Al c _Al ( T _f — 150ºC).

Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру: Q _{холодная} = м _W c _W ( T _f — 20,0 ° C).

Обратите внимание, что Q _{горячий} <0 и Q _{холодный} > 0 и что они должны быть в сумме равными нулю, потому что тепло, теряемое горячей сковородой, должно быть таким же, как тепло, полученное холодной водой:

[латекс] \ begin {array} {lll} Q _ {\ text {cold}} + Q _ {\ text {hot}} & = & 0 \\ Q _ {\ text {cold}} & = & — Q _ {\ text {hot}} \\ m _ {\ text {W}} c _ {\ text {W}} \ left (T _ {\ text {f}} — 20.{\ circ} \ text {C} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это типичная проблема калориметрии : два тела при разных температурах приводят в контакт друг с другом и обмениваются теплом до тех пор, пока не будет достигнута общая температура. Почему конечная температура намного ближе к 20,0ºC, чем к 150ºC? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и поэтому претерпевает небольшое изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры.Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико. Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

Эксперимент на вынос: изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода?

Для изучения разницы в теплоемкости:

• Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки.(Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить примерно равные массы, используя на 50% больше воды по объему.)
• Нагрейте оба (в духовке или нагревательной лампе) одинаковое время.
• Запишите конечную температуру двух масс.
• Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
• Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Какой образец остывает быстрее всего? Это упражнение воспроизводит явления, ответственные за ветер с суши и с моря.

Проверьте свое понимание

Если 25 кДж необходимо для повышения температуры блока с 25 ° C до 30 ° C, сколько тепла необходимо для нагрева блока с 45 ° C до 50 ° C?

Решение

Теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж.

Сводка раздела

• Передача тепла Q , которая приводит к изменению Δ T температуры тела с массой м составляет Q = mc Δ T , где c — удельная теплоемкость материала. Это соотношение также можно рассматривать как определение удельной теплоемкости.

Концептуальные вопросы

1. Какие три фактора влияют на теплопередачу, необходимую для изменения температуры объекта?
2. Тормоза в автомобиле повышают температуру на Δ T при остановке автомобиля со скорости v .Насколько больше было бы Δ T , если бы автомобиль изначально имел вдвое большую скорость? Вы можете предположить, что автомобиль останавливается достаточно быстро, чтобы не отводить тепло от тормозов.

Задачи и упражнения

1. В жаркий день температура в бассейне объемом 80 000 л повышается на 1,50ºC. Какова чистая теплопередача при этом нагреве? Игнорируйте любые осложнения, такие как потеря воды из-за испарения.
2. Докажите, что 1 кал / г · ºC = 1 ккал / кг · ºC.
3. Для стерилизации 50.Стеклянная детская бутылочка 0 г, мы должны поднять ее температуру с 22,0 ° С до 95,0 ° С. Какая требуется теплопередача?
4. Одинаковая передача тепла идентичным массам разных веществ вызывает разные изменения температуры. Рассчитайте конечную температуру, когда 1,00 ккал тепла передается 1,00 кг следующих веществ, первоначально при 20,0 ° C: (a) вода; (б) бетон; (в) сталь; и d) ртуть.
5. Потирание рук согревает их, превращая работу в тепловую энергию. Если женщина трет руки взад и вперед в общей сложности 20 движений, на расстоянии 7.50 см на руб, а при средней силе трения 40,0 Н, что такое повышение температуры? Масса согреваемых тканей всего 0,100 кг, в основном в ладонях и пальцах.
6. Блок чистого материала массой 0,250 кг нагревают с 20,0 ° C до 65,0 ° C за счет добавления 4,35 кДж энергии. Вычислите его удельную теплоемкость и определите вещество, из которого он, скорее всего, состоит.
7. Предположим, что одинаковые количества тепла передаются различным массам меди и воды, вызывая одинаковые изменения температуры.Какое отношение массы меди к воде?
8. (a) Количество килокалорий в пище определяется калориметрическими методами, при которых пища сжигается и измеряется теплоотдача. Сколько килокалорий на грамм содержится в арахисе весом 5,00 г, если энергия его горения передается 0,500 кг воды, содержащейся в алюминиевой чашке весом 0,100 кг, что вызывает повышение температуры на 54,9 ° C? (b) Сравните свой ответ с информацией на этикетке, найденной на упаковке арахиса, и прокомментируйте, согласуются ли значения.
9. После интенсивных упражнений температура тела человека весом 80,0 кг составляет 40,0 ° C. С какой скоростью в ваттах человек должен передавать тепловую энергию, чтобы снизить температуру тела до 37,0 ° C за 30,0 мин, если тело продолжает вырабатывать энергию со скоростью 150 Вт? 1 Вт = 1 Дж / с или 1 Вт = 1 Дж / с.
10. Даже после остановки после периода нормальной эксплуатации большой промышленный ядерный реактор передает тепловую энергию со скоростью 150 МВт за счет радиоактивного распада продуктов деления.Эта теплопередача вызывает быстрое повышение температуры в случае отказа системы охлаждения (1 Вт = 1 джоуль / сек или 1 Вт = 1 Дж / с и 1 МВт = 1 мегаватт). (a) Рассчитайте скорость повышения температуры в градусах Цельсия в секунду (ºC / s), если масса активной зоны реактора составляет 1,60 × 10 ⁵ кг, а ее средняя удельная теплоемкость составляет 0,3349 кДж / кг ºC. (b) Сколько времени потребуется, чтобы получить повышение температуры на 2000 ° C, которое может привести к расплавлению некоторых металлов, содержащих радиоактивные материалы? (Начальная скорость повышения температуры будет больше, чем рассчитанная здесь, потому что теплопередача сосредоточена в меньшей массе.Позже, однако, повышение температуры замедлится, потому что стальная защитная оболочка 5 × 10 ⁵ кг также начнет нагреваться.)

Рисунок 3. Бассейн с радиоактивным отработавшим топливом на атомной электростанции. Отработанное топливо долго остается горячим. (кредит: Министерство энергетики США)

Глоссарий

удельная теплоемкость: количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг вещества на 1,00 ºC

Избранные решения проблем и упражнения

1.5,02 × 10 ⁸ Дж

3. 3.07 × 10 ³ Дж

5. 0,171ºC

7. 10,8

9. 617 Вт

---

Урок физики

На предыдущей странице мы узнали, что делает тепло с объектом, когда оно накапливается или выделяется. Прирост или потеря тепла приводят к изменениям температуры, изменению состояния или выполнения работы. Тепло — это передача энергии. Когда объект приобретает или теряет его, внутри этого объекта будут соответствующие изменения энергии.Изменение температуры связано с изменением средней кинетической энергии частиц внутри объекта. Изменение состояния связано с изменением внутренней потенциальной энергии, которой обладает объект. А когда работа сделана, происходит полная передача энергии объекту, над которым она выполняется. В этой части Урока 2 мы исследуем вопрос Как измерить количество тепла, полученного или выделенного объектом?

Удельная теплоемкость

Предположим, что несколько объектов, состоящих из разных материалов, нагреваются одинаково.Будут ли предметы нагреваться одинаково? Ответ: скорее всего, нет. Разные материалы будут нагреваться с разной скоростью, потому что каждый материал имеет свою удельную теплоемкость. Удельная теплоемкость относится к количеству тепла, необходимому для изменения температуры единицы массы (скажем, грамма или килограмма) на 1 ° C. В учебниках часто указывается удельная теплоемкость различных материалов. Стандартные метрические единицы — Джоуль / килограмм / Кельвин (Дж / кг / К). Чаще используются единицы измерения — Дж / г / ° C.Используйте виджет ниже, чтобы просмотреть удельную теплоемкость различных материалов. Просто введите название вещества (алюминий, железо, медь, вода, метанол, дерево и т. Д.) И нажмите кнопку «Отправить»; результаты будут отображаться в отдельном окне.

Удельная теплоемкость твердого алюминия (0,904 Дж / г / ° C) отличается от удельной теплоемкости твердого железа (0,449 Дж / г / ° C). Это означает, что для повышения температуры данной массы алюминия на 1 ° C потребуется больше тепла, чем для повышения температуры той же массы железа на 1 ° C.Фактически, для повышения температуры образца алюминия на заданное количество потребуется примерно вдвое больше тепла по сравнению с тем же изменением температуры того же количества железа. Это связано с тем, что удельная теплоемкость алюминия почти вдвое больше, чем у железа.

Теплоемкость указана из расчета на грамм или на килограмм . Иногда значение указывается на основе на моль , и в этом случае оно называется молярной теплоемкостью. Тот факт, что они указаны из расчета на количество , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества, зависит от того, сколько вещества имеется.Эту истину, несомненно, знает всякий, кто варил на плите кастрюлю с водой. Вода закипает при температуре 100 ° C на уровне моря и при слегка пониженной температуре на возвышенностях. Чтобы довести кастрюлю с водой до кипения, ее сначала нужно поднять до 100 ° C. Это изменение температуры достигается за счет поглощения тепла горелкой печи. Быстро замечаешь, что для того, чтобы довести до кипения полную кастрюлю с водой, требуется значительно больше времени, чем для того, чтобы довести до кипения наполовину полную. Это связано с тем, что полная кастрюля с водой должна поглощать больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры.Фактически, требуется вдвое больше тепла, чтобы вызвать такое же изменение температуры в двойной массе воды.

Удельная теплоемкость также указана на основе на K или на ° C . Тот факт, что удельная теплоемкость указана из расчета на градус , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения данной массы вещества до определенной температуры, зависит от изменения температуры, необходимого для достижения этой конечной температуры.Другими словами, важна не конечная температура, а общее изменение температуры. Для изменения температуры воды с 20 ° C до 100 ° C (изменение на 80 ° C) требуется больше тепла, чем для повышения температуры того же количества воды с 60 ° C до 100 ° C (изменение на 40 ° C). ° С). Фактически, для изменения температуры данной массы воды на 80 ° C требуется вдвое больше тепла по сравнению с изменением на 40 ° C. Человек, который хочет быстрее довести воду до кипения на плите, должен начать с теплой водопроводной воды вместо холодной.

Это обсуждение удельной теплоемкости заслуживает одного заключительного комментария. Термин «удельная теплоемкость» в некоторой степени неправильный , неправильное обозначение . Этот термин означает, что вещества могут обладать способностью удерживать вещь , называемую теплотой. Как уже говорилось ранее, тепло — это не то, что содержится в объекте. Тепло — это то, что передается к объекту или от него. Объекты содержат энергию в самых разных формах. Когда эта энергия передается другим объектам с разной температурой, мы называем переданную энергию тепловой или тепловой энергией .Хотя это вряд ли приживется, более подходящим термином будет удельная энергоемкость.

Связь количества тепла с изменением температуры

Удельная теплоемкость позволяет математически связать количество тепловой энергии, полученной (или потерянной) образцом любого вещества, с массой образца и ее результирующим изменением температуры. Связь между этими четырьмя величинами часто выражается следующим уравнением.

Q = m • C • ΔT

где Q — количество тепла, передаваемого к объекту или от него, m — масса объекта, C — удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT — результирующее изменение температуры объекта. Как и во всех других ситуациях в науке, значение дельта (∆) для любой величины вычисляется путем вычитания начального значения количества из окончательного значения количества. В этом случае ΔT равно T _{конечный} — T _{начальный} .При использовании приведенного выше уравнения значение Q может быть положительным или отрицательным. Как всегда, положительный и отрицательный результат расчета имеет физическое значение. Положительное значение Q указывает, что объект получил тепловую энергию из окружающей среды; это соответствовало бы повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает на то, что объект выделяет тепловую энергию в окружающую среду; это соответствовало бы снижению температуры и отрицательному значению ΔT.

Знание любых трех из этих четырех величин позволяет человеку вычислить четвертое количество. Обычная задача на многих уроках физики включает решение проблем, связанных с отношениями между этими четырьмя величинами. В качестве примеров рассмотрим две проблемы ниже. Решение каждой проблемы разработано для вас. Дополнительную практику можно найти в разделе «Проверьте свое понимание» внизу страницы.

Пример задачи 1 Какое количество тепла требуется для повышения температуры 450 граммов воды с 15 ° C до 85 ° C? Удельная теплоемкость воды 4.18 Дж / г / ° C.

Как и любая проблема в физике, решение начинается с определения известных величин и соотнесения их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 15 ° С
T _{окончательная} = 85 ° C

Мы хотим определить значение Q — количество тепла.Для этого мы использовали бы уравнение Q = m • C • ΔT. Буквы m и C известны; ΔT можно определить по начальной и конечной температуре.

T = T _{окончательный} — T _{начальный} = 85 ° C — 15 ° C = 70 ° C

Зная три из четырех величин соответствующего уравнения, мы можем подставить их и решить для Q.

Q = m • C • ΔT = (450 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (70 ° C)
Q = 131670 Дж
Q = 1.3×10 ⁵ J = 130 кДж (округлено до двух значащих цифр)

Пример задачи 2 Образец 12,9 грамма неизвестного металла при температуре 26,5 ° C помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 граммов воды при температуре 88,6 ° C. Вода охлаждается, и металл нагревается, пока не будет достигнуто тепловое равновесие при 87,1 ° C. Предполагая, что все тепло, теряемое водой, передается металлу, а чашка идеально изолирована, определите удельную теплоемкость неизвестного металла.Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 Дж / г / ° C.

По сравнению с предыдущей проблемой это гораздо более сложная проблема. По сути, эта проблема похожа на две проблемы в одной. В основе стратегии решения проблем лежит признание того, что количество тепла, потерянного водой (Q _вода ), равно количеству тепла, полученного металлом (Q _металл ). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно вычислить Q _water .Это значение воды Q _{равно значению} металла Q _{. Как только значение металла} Q _{известно, его можно использовать со значением m и ΔT металла для расчета металла} Q _{. Использование этой стратегии приводит к следующему решению:}

Часть 1: Определение потерь тепла водой

Дано:

м = 50,0 г
C = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 88,6 ° С
Т _финал = 87.1 ° С
ΔT = -1,5 ° C (T _{конечный} — T _{начальный} )

Решение для Q _воды :

Q _вода = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (-1,5 ° C)
Q _вода = -313,5 Дж (без заземления)
(Знак — означает, что вода теряет тепло)

Часть 2: Определение стоимости металла C

Дано:

Q _металл = 313.5 Дж (используйте знак +, так как металл нагревается)
m = 12,9 г
Т _{начальная} = 26,5 ° С
T _{окончательная} = 87,1 ° C
ΔT = (T _{конечный} — T _{начальный} )

Решить для C _металл :

Переставьте Q _металл = m _металл • C _металл • ΔT _металл , чтобы получить металл C = Q _металл / (м _металл • ΔT _металл )

C _металл = Q _металл / (м _металл • ΔT _металл ) = (313.5 Дж) / [(12,9 г) • (60,6 ° C)]
C _металл = 0,40103 Дж / г / ° C
C _металл = 0,40 Дж / г / ° C (округлено до двух значащих цифр)

Тепло и изменения состояния

Приведенное выше обсуждение и соответствующее уравнение (Q = m • C • ∆T) связывает тепло, полученное или потерянное объектом, с результирующими изменениями температуры этого объекта. Как мы узнали, иногда тепло накапливается или теряется, но температура не меняется.Это тот случай, когда вещество претерпевает изменение состояния. Итак, теперь мы должны исследовать математику, связанную с изменениями состояния и количества тепла.

Чтобы начать обсуждение, давайте рассмотрим различные изменения состояния, которые можно наблюдать для образца материи. В таблице ниже перечислены несколько изменений состояния и указаны имена, обычно связанные с каждым процессом.

Процесс	Изменение состояния
Плавка	от твердого до жидкого
Замораживание	От жидкости к твердому веществу
Испарение	От жидкости к газу
Конденсация	Газ — жидкость
Сублимация	Твердое тело в газ
Депонирование	Газ в твердое вещество

В случае плавления, кипения и сублимации к образцу вещества должна быть добавлена ​​энергия, чтобы вызвать изменение состояния.Такие изменения состояния называют эндотермическими. Замораживание, конденсация и осаждение экзотермичны; энергия высвобождается образцом материи, когда происходят эти изменения состояния. Таким образом, можно заметить, что образец льда (твердая вода) тает, когда его помещают на горелку или рядом с ней. Тепло передается от горелки к образцу льда; энергия приобретается льдом, вызывая изменение состояния. Но сколько энергии потребуется, чтобы вызвать такое изменение состояния? Есть ли математическая формула, которая могла бы помочь в определении ответа на этот вопрос? Безусловно, есть.

Количество энергии, необходимое для изменения состояния образца материи, зависит от трех вещей. Это зависит от того, что такое субстанция, от того, сколько субстанции претерпевает изменение состояния, и от того, какое изменение состояния происходит. Например, для плавления льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для плавления железа. И для таяния льда (твердая вода) требуется другое количество энергии, чем для испарения того же количества жидкой воды. И, наконец, для плавления 10 требуется другое количество энергии.0 граммов льда по сравнению с таянием 100,0 граммов льда. Вещество, процесс и количество вещества — это три переменные, которые влияют на количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать конкретное изменение состояния. Используйте виджет ниже, чтобы исследовать влияние вещества и процесса на изменение энергии. (Обратите внимание, что теплота плавления — это изменение энергии, связанное с изменением состояния твердое-жидкое.)

Значения удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения указаны из расчета на количество .Например, удельная теплота плавления воды составляет 333 Дж / грамм. Чтобы растопить 1,0 грамм льда, требуется 333 Дж энергии. Чтобы растопить 10 граммов льда, требуется в 10 раз больше энергии — 3330 Дж. Такое рассуждение приводит к следующим формулам, связывающим количество тепла с массой вещества и теплотой плавления и испарения.

Для плавления и замораживания: Q = m • ΔH _сварка
Для испарения и конденсации: Q = m • ΔH _{испарение}

где Q представляет количество энергии, полученной или высвобожденной во время процесса, m представляет собой массу образца, ΔH _{плавления} представляет собой удельную теплоту плавления (на грамм) и ΔH _{испарения} представляет собой удельную теплоемкость плавления. испарение (из расчета на грамм).Подобно обсуждению Q = m • C • ΔT, значения Q могут быть как положительными, так и отрицательными. Значения Q положительны для процесса плавления и испарения; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен набирать энергию, чтобы плавиться или испаряться. Значения Q отрицательны для процесса замораживания и конденсации; это согласуется с тем фактом, что образец вещества должен терять энергию, чтобы замерзнуть или конденсироваться.

В качестве иллюстрации того, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующие два примера задач.

Пример задачи 3 Элиза кладет в свой напиток 48,2 грамма льда. Какое количество энергии будет поглощено льдом (и высвобождено напитком) в процессе таяния? Теплота плавления воды 333 Дж / г.

Уравнение, связывающее массу (48,2 грамма), теплоту плавления (333 Дж / г) и количество энергии (Q): Q = m • ΔH _fusion .Подстановка известных значений в уравнение приводит к ответу.

Q = м • ΔH _{плавление} = (48,2 г) • (333 Дж / г)
Q = 16050,6 Дж
Q = 1,61 x 10 ⁴ Дж = 16,1 кДж (округлено до трех значащих цифр)

Пример Задачи 3 включает в себя довольно простой расчет типа plug-and-chug. Теперь мы попробуем пример задачи 4, который потребует более глубокого анализа.

Пример задачи 4 Какое минимальное количество жидкой воды на 26.5 градусов, которые потребуются, чтобы полностью растопить 50,0 граммов льда? Удельная теплоемкость жидкой воды составляет 4,18 Дж / г / ° C, а удельная теплота плавления льда — 333 Дж / г.

В этой задаче лед тает, а жидкая вода остывает. Энергия передается от жидкости к твердому телу. Чтобы растопить твердый лед, на каждый грамм льда необходимо передать 333 Дж энергии. Эта передача энергии от жидкой воды ко льду охлаждает жидкость.Но жидкость может охладиться только до 0 ° C — точки замерзания воды. При этой температуре жидкость начнет затвердевать (замерзнуть), а лед полностью не растает.

Мы знаем следующее о льду и жидкой воде:

Информация о льду:

м = 50,0 г
ΔH _{плавление} = 333 Дж / г

Информация о жидкой воде:

С = 4.18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 26,5 ° С
T _{окончательная} = 0,0 ° C
ΔT = -26,5 ° C (T _{конечная} — T _{начальная} )

Энергия, полученная льдом, равна энергии, потерянной из воды.

Q _лед = -Q _{жидкая вода}

Знак — указывает, что один объект получает энергию, а другой объект теряет энергию. Мы можем вычислить левую часть приведенного выше уравнения следующим образом:

Q _лед = m • ΔH _{плавление} = (50.0 г) • (333 Дж / г)
Q _лед = 16650 Дж

Теперь мы можем установить правую часть уравнения равной m • C • ΔT и начать подставлять известные значения C и ΔT, чтобы найти массу жидкой воды. Решение:

16650 Дж = -Q _{жидкая вода}
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • C _{жидкая вода} • ΔT _{жидкая вода}
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • (4.18 Дж / г / ° C) • (-26,5 ° C)
16650 Дж = -м _{жидкая вода} • (-110,77 Дж / ° C)
м _{жидкая вода} = — (16650 Дж) / (- 110,77 Дж / ° C)
м _{жидкая вода} = 150,311 г
м _{жидкая вода} = 1,50×10 ² г (округлено до трех значащих цифр)

Еще раз о кривых нагрева и охлаждения

На предыдущей странице Урока 2 обсуждалась кривая нагрева воды.Кривая нагрева показывала, как температура воды увеличивалась с течением времени по мере нагрева образца воды в твердом состоянии (т. Е. Льда). Мы узнали, что добавление тепла к образцу воды может вызвать либо изменение температуры, либо изменение состояния. При температуре плавления воды добавление тепла вызывает преобразование воды из твердого состояния в жидкое состояние. А при температуре кипения воды добавление тепла вызывает преобразование воды из жидкого состояния в газообразное.Эти изменения состояния произошли без каких-либо изменений температуры. Однако добавление тепла к образцу воды, не имеющей температуры фазового перехода, приведет к изменению температуры.

Теперь мы можем подойти к теме кривых нагрева на более количественной основе. На диаграмме ниже представлена ​​кривая нагрева воды. На нанесенных линиях есть пять помеченных участков.

Три диагональных участка представляют собой изменения температуры пробы воды в твердом состоянии (участок 1), жидком состоянии (участок 3) и газообразном состоянии (участок 5).Две горизонтальные секции представляют изменения в состоянии воды. На участке 2 проба воды тает; твердое вещество превращается в жидкость. В секции 4 образец воды подвергается кипению; жидкость превращается в газ. Количество тепла, передаваемого воде в секциях 1, 3 и 5, связано с массой образца и изменением температуры по формуле Q = m • C • ΔT. А количество тепла, переданного воде в секциях 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и испарения по формулам Q = m • ΔH _fusion (раздел 2) и Q = m • ΔH _{испарение} (раздел 4).Итак, теперь мы попытаемся вычислить количество тепла, необходимое для перевода 50,0 граммов воды из твердого состояния при -20,0 ° C в газообразное состояние при 120,0 ° C. Для расчета потребуется пять шагов — по одному шагу для каждого раздела приведенного выше графика. Хотя удельная теплоемкость вещества зависит от температуры, в наших расчетах мы будем использовать следующие значения удельной теплоемкости:

Твердая вода: C = 2,00 Дж / г / ° C
Жидкая вода: C = 4,18 Дж / г / ° C
Газообразная вода: C = 2.01 Дж / г / ° C

Наконец, мы будем использовать ранее сообщенные значения ΔH _fusion (333 Дж / г) и ΔH _{испарения} (2,23 кДж / г).

Раздел 1 : Изменение температуры твердой воды (льда) с -20,0 ° C до 0,0 ° C.

Используйте Q ₁ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,00 Дж / г / ° C, T _{начальная} = -200 ° C и T _{конечная} = 0,0 ° C

Q ₁ = m • C • ΔT = (50.0 г) • (2,00 Дж / г / ° C) • (0,0 ° C — -20,0 ° C)
Q ₁ = 2,00 x10 ³ Дж = 2,00 кДж

Раздел 2 : Таяние льда при 0,0 ° C.

Использовать Q ₂ = m • ΔH _сварка

, где m = 50,0 г и ΔH _{плавление} = 333 Дж / г

Q ₂ = м • ΔH _{плавление} = (50,0 г) • (333 Дж / г)
Q ₂ = 1,665 x10 ⁴ Дж = 16.65 кДж
Q ₂ = 16,7 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 3 : Изменение температуры жидкой воды с 0,0 ° C на 100,0 ° C.

Используйте Q ₃ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 4,18 Дж / г / ° C, T _{начальная} = 0,0 ° C и T _{конечная} = 100,0 ° C

Q ₃ = m • C • ΔT = (50,0 г) • (4,18 Дж / г / ° C) • (100,0 ° C — 0,0 ° C)
Q ₃ = 2.09 x10 ⁴ Дж = 20,9 кДж

Раздел 4 : Кипячение воды при 100,0 ° C.

Использовать Q ₄ = m • ΔH _{испарение}

, где m = 50,0 г и ΔH _{испарение} = 2,23 кДж / г

Q ₄ = m • ΔH _{испарение} = (50,0 г) • (2,23 кДж / г)
Q ₄ = 111,5 кДж
Q ₄ = 112 кДж (округлено до 3 значащих цифр)

Раздел 5 : Изменение температуры жидкой воды со 100.От 0 ° C до 120,0 ° C.

Используйте Q ₅ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж / г / ° C, T _{начальная} = 100,0 ° C и T _{конечная} = 120,0 ° C

Q ₅ = m • C • ΔT = (50,0 г) • (2,01 Дж / г / ° C) • (120,0 ° C — 100,0 ° C)
Q ₅ = 2,01 x10 ³ J = 2,01 кДж

Общее количество тепла, необходимое для превращения твердой воды (льда) при -20 ° C в газообразную воду при 120 ° C, является суммой значений Q для каждого участка графика.То есть

Q _итого = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅

Суммирование этих пяти значений Q и округление до нужного количества значащих цифр приводит к значению 154 кДж в качестве ответа на исходный вопрос.

В приведенном выше примере есть несколько особенностей решения, над которыми стоит задуматься:

• Первая: длинная задача была разделена на части, каждая из которых представляет собой одну из пяти частей графика.Поскольку было вычислено пять значений Q, они были обозначены как Q ₁ , Q ₂ и т. Д. Этот уровень организации требуется в многоступенчатой ​​задаче, такой как эта.
• Секунда: внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как конечное значение величины за вычетом начального значения этой величины.
• Третий: На протяжении всей задачи внимание уделялось подразделениям.Единицы Q будут либо в Джоулях, либо в килоджоулях, в зависимости от того, какие количества умножаются. Отсутствие внимания к устройствам — частая причина сбоев в подобных проблемах.
• Четвертый: На протяжении всей задачи внимание уделялось значащим цифрам. Хотя это никогда не должно становиться основным акцентом какой-либо проблемы в физике, это, безусловно, деталь, на которую стоит обратить внимание.

Мы узнали здесь, на этой странице, как рассчитать количество тепла, задействованного в любом процессе нагрева / охлаждения и в любом процессе изменения состояния.Это понимание будет иметь решающее значение, когда мы перейдем к следующей странице Урока 2, посвященной калориметрии. Калориметрия — это наука, связанная с определением изменений энергии системы путем измерения теплообмена с окружающей средой.

Проверьте свое понимание

1. Вода имеет необычно высокую удельную теплоемкость. Какое из следующих утверждений логически следует из этого факта?

а.По сравнению с другими веществами горячая вода вызывает сильные ожоги, потому что она хорошо проводит тепло.
б. По сравнению с другими веществами вода при нагревании быстро нагревается до высоких температур.
c. По сравнению с другими веществами, образец воды требует значительного количества тепла, чтобы изменить ее температуру на небольшое количество.

2. Объясните, почему в больших водоемах, таких как озеро Мичиган, может быть довольно холодно в начале июля, несмотря на то, что температура наружного воздуха около или выше 90 ° F (32 ° C).

3. В таблице ниже описан термический процесс для различных объектов (выделен красным жирным шрифтом). Для каждого описания укажите, набирается или теряется тепло объектом, является ли процесс эндотермическим или экзотермическим, и является ли Q для указанного объекта положительным или отрицательным значением.

	Процесс	Получено или потеряно тепло?	Эндо- или экзотермический?	Вопрос: + или -?
а.	Кубик льда помещают в стакан с лимонадом комнатной температуры, чтобы охладить напиток.
г.	Холодный стакан лимонада стоит на столе для пикника под жарким полуденным солнцем и нагревается до 32 ° F.
г.	Конфорки на электроплите выключаются и постепенно остывают до комнатной температуры.
г.	Учитель вынимает из термоса большой кусок сухого льда и опускает его в воду. Сухой лед возгоняется, образуя газообразный диоксид углерода.
e.	Водяной пар в увлажненном воздухе ударяется о окно и превращается в каплю росы (каплю жидкой воды).

4. Образец металлического цинка массой 11,98 грамма помещают в баню с горячей водой и нагревают до 78,4 ° C. Затем его удаляют и помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 мл воды комнатной температуры (T = 27,0 ° C; плотность = 1,00 г / мл). Вода прогревается до температуры 28.1 ° С. Определите удельную теплоемкость цинка.

5. Джейк берет из туалета банку с газировкой и выливает ее в чашку со льдом. Определите количество тепла, теряемого содой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH _fusion = 333 Дж / г).

6. Теплота сублимации (ΔH _{сублимация} ) сухого льда (твердый диоксид углерода) составляет 570 Дж / г. Определите количество тепла, необходимое для превращения 5,0-фунтового мешка сухого льда в газообразный диоксид углерода.(Дано: 1,00 кг = 2,20 фунта)

7. Определите количество тепла, необходимое для повышения температуры 3,82-граммового образца твердого пара-дихлорбензола с 24 ° C до жидкого состояния при 75 ° C. Пара-дихлорбензол имеет температуру плавления 54 ° C, теплоту плавления 124 Дж / г и удельную теплоемкость 1,01 Дж / г / ° C (твердое состояние) и 1,19 Дж / г / ° C (жидкое состояние).

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача

Проводимость, конвекция и излучение

Теплообмен происходит всякий раз, когда возникает разница температур. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость — это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно.Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его более холодным.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией.Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold. Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4 Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области.На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция — это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

На обиходе термин жидкость обычно означает жидкость. Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердые тела, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными.Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде. Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой. Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рисунок 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается вверх, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого сосуда с водой.Попав внутрь жидкости, теплопередача к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется до тех пор, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие длины волн имеют более высокую частоту и большую энергию).

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо. Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими.Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него.(Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный — наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый — наименее эффективный. Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый.Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды.Для этого перетащите объект на пьедестал и затем удерживайте рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете в режиме реального времени наблюдать, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами. Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью.Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
3. Кирпич занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

Демонстрация утраченного объема | Каролина.com

Что произойдет, если смешать равный объем воды и этилового спирта? Массовая добавка? Объем добавка? Закон сохранения массы требует сохранения массы, но существует ли Закон сохранения массы? Сохранение объема?

Нет, если смешать 250 мл воды с 250 мл этилового спирта, получится только около 480 мл раствора. Что вызвало уменьшение громкости и что случилось с потерянным объемом?

Склеивание моделей жидкостей

Модели связывания жидкостей труднее предсказать из-за их значительного молекулярного движения и сильные межмолекулярные силы.Модели связывания для жидкой воды, хотя и широко изучены, до сих пор не изучены. полностью понял. Недавние исследования показывают, что некоторые области чистой воды могут временно напоминать твердую структура льда, которая имеет очень открытую структуру для максимизации водородных связей. Открытая структура твердого лед — причина того, что лед плавает в воде.

При смешивании воды и этилового спирта в игру вступают несколько сил. Сначала между водой и этиловым спиртом это сильная водородная связь, которая сближает разные молекулы.Во-вторых, открытые пространства в жидкости гораздо менее вероятны, потому что этиловый спирт мешает любым временным открытым структурам, которые похожи на те из твердой воды. Две разные молекулы упаковываются ближе друг к другу, чем в чистом растворе, что приводит к уменьшение объема.

О демонстрации

Эту демонстрацию лучше всего проводить с использованием 3 мерных колб, которые предоставляют хорошую возможность инструктировать студенты по назначению и использованию мерных колб.(Однако вы можете использовать любую доступную стеклянную посуду.) Использование мерных колб делает это очень количественной демонстрацией. Чем больше мерная колба, тем легче Студенты должны наблюдать разницу в громкости. Более дешевая альтернатива мерным колбам — использование 3 градуированные цилиндры. Альтернативой 3 ^rd является использование трубы большого диаметра (например, от 10 до 25 мм внутри диаметр) с 2 резиновыми пробками для герметизации каждого конца. При этой альтернативе пузырек пара появляется как решение смешивается, и объем уменьшается.

Для всех трех вариантов объем каждой жидкости — воды и этилового спирта — должен составлять ½ объема общий объем финального раствора. Используйте пищевой краситель для визуального индикатора смешанного раствора. При необходимости прикрепите кусок черной изоленты к линии объема каждой мерной колбы, чтобы помочь студентам. с их визуальным наблюдением.

Несоответствующее событие

Демонстрация очень проста: наполните мерную колбу на 250 мл водой и еще на 250 мл. мерная колба с этиловым спиртом.Затем слейте обе жидкости в мерную колбу на 500 мл и соблюдайте разница в объеме. Эта демонстрация — несоответствующее событие , потому что учащиеся не обычно ожидают, что громкость будет другой, и обычно не могут объяснить явление. Это привлекает студентов и закладывает основу для дальнейшего исследования, объяснения и расширения свойств жидкостей и межмолекулярные силы.

Предварительная демонстрация

Начните демонстрацию с того, что попросите учащихся предсказать, что произойдет, когда равный объем воды и этиловый спирт смешивают.В частности, спросите их, думают ли они, что масса и объем будут складываться. Следующий Таблица — это ключ к ответам на Рабочую таблицу демонстрации воды и алкоголя, расположенную в конце этого упражнения. В течение Во время демонстрации учащиеся записывают данные в свои рабочие таблицы.

Демонстрационная таблица воды и спирта, ключ ответа

	Масса	Объем	Плотность
Вода	250 г	250 мл	1.00 г / мл
Спирт этиловый	197,5 г	250 мл	0,79 г / мл
Решение — прогноз	447,5 г	500 мл	0,90 г / мл
Решение — фактическое	447,5 г	480 мл	0.93 г / мл

Техника безопасности

Предупреждение: Этиловый спирт является легковоспламеняющейся жидкостью и токсичен при проглатывании и вдыхании.

• Прочтите все паспорта безопасности материалов и этикетки на предмет химической опасности.
• Носите химически стойкий фартук, перчатки и защитные очки.
• Утилизируйте отходы в соответствии с местными, государственными и федеральными законами.

Материалы

Процедура

Вода

1. Массируйте пустую мерную колбу на 250 мл.Запишите данные.
2. Добавьте в эту колбу несколько капель синего пищевого красителя.
3. Заполните колбу водой до линии объема.
4. Массируйте мерную колбу, содержащую окрашенную воду. Запишите данные.
5. Рассчитайте массу тонированной воды.

Этиловый спирт

1. Массируйте вторую мерную колбу на 250 мл. Запишите данные.
2. Добавьте в эту колбу несколько капель желтого пищевого красителя.
3. Заполнить колбу этиловым спиртом до линии объема.
4. Массируйте мерную колбу, содержащую окрашенный этиловый спирт. Запишите данные.
5. Рассчитайте массу тонированного этилового спирта.

Запись данных / прогноз результата

Попросите учащихся заполнить свои таблицы данных для массы и объема колбы с тонированной водой и колбы с тонированным этиловым спиртом, а затем рассчитать плотность каждого из них.Студенты также должны предсказать массу, объем и плотность водно-спиртового раствора, когда он наливается в мерную колбу на 500 мл.

Водно-спиртовая смесь

1. Массируйте пустую мерную колбу на 500 мл. Запишите данные.
2. Налейте окрашенную воду в мерную колбу на 500 мл, используя при необходимости воронку.
3. Налейте окрашенный этиловый спирт в мерную колбу на 500 мл, используя при необходимости воронку.
4. Отметьте уровень жидкости в мерной колбе на 500 мл.(Это должно быть очень близко к линии объема 500 мл.)
5. Установите пробку или колпачок на мерную колбу на 500 мл и несколько раз переверните колбу.
6. Снимите пробку или колпачок, чтобы предотвратить возникновение вакуума внутри колбы.
7. Закройте крышку и продолжайте перемешивание раствора, переворачивая колбу, до тех пор, пока зеленый цвет не станет постоянным по всему раствору.
8. Дайте раствору отстояться, затем наблюдайте за объемом жидкости.(Оно должно быть намного ниже линии объема 500 мл.)
9. Массируйте мерную колбу на 500 мл, содержащую водно-спиртовой раствор. Запишите данные.
10. Рассчитайте массу водно-спиртового раствора.
11. Определите, какой объем был потерян при создании этого решения. С помощью одноразовой пипетки добавьте воду из мерного цилиндра в мерную колбу, содержащую водно-спиртовой раствор. Вычтите этот объем из 500 мл, чтобы получить окончательный объем.Запишите данные.

Ответить на вопросы

Попросите учащихся заполнить оставшуюся часть своей таблицы данных и ответить на вопросы из Демонстрационного рабочего листа вода-алкоголь .

Купить комплект

Закон сохранения массовой активности

Конечная температура после смешивания двух количеств воды

Конечная температура после смешивания двух количеств воды

Каковы конечные результаты температуры при смешивании двух образцов воды?

Перейти к смешиванию двух количеств воды: задачи 1-10

Перейти к расчету конечной температуры при смешивании воды и куска металла

Рабочий лист № 2

Назад в меню термохимии

---

Пример # 1: Определите конечную температуру, когда 32.2 г воды при 14,9 ° C смешиваются с 32,2 г воды при 46,8 ° C.

Это задача 8a из рабочего листа №2.

Сначала обсуждение, затем решение. Простите меня, если пункты кажутся очевидными:

1) Более холодная вода нагреется (в нее «течет» тепловая энергия). Более теплая вода остывает (из нее «течет» тепловая энергия).
2) Вся смесь будет наматываться при температуре ТАКОЙ ЖЕ . Это очень и очень важно.
3) Энергия, которая «вытекла» (из более теплой воды) равна энергии, которая «втекала» (в более холодную воду).

Проблема этого типа становится немного сложнее, если речь идет о смене фазы.В этом примере нет изменения фазы. Это означает, что будет задействовано только уравнение теплоемкости.

Ключевой элемент решения номер один: Мы начинаем с определения конечной конечной температуры «x». Имейте в виду, что ОБЕ пробы воды будут иметь температуру, которую мы называем «х». Также убедитесь, что вы понимаете, что мы используем «x» НЕ Δt, а температуру FINAL . Это то, для чего мы решаем.

Более теплая вода опускается с до 46.8 к x, поэтому это означает, что его Δt равно 46,8 — x. Более холодная вода нагревается, поэтому ее Δt равно x — 14,9.

Этот последний абзац может немного сбивать с толку, поэтому давайте сравним его с числовой строкой:

Для вычисления абсолютного расстояния это большее значение минус меньшее, поэтому от 46,8 до x равно 46,8 — x, а расстояние от x до 14,9 равно x — 14,9.

Эти два расстояния на числовой прямой представляют два наших значения Δt:

а) Δt более теплой воды 46.8 минус х
б) Δt более холодной воды x минус 14,9

Ключевой номер решения № 2: количество энергии, выходящей из теплой воды, равно количеству энергии, уходящей в холодную воду. Это означает:

q _потеря = q _{прирост}

Однако:

q = (масса) (Δt) (C _p )

Итак:

(масса) (Δt) (C _p ) = (масса) (Δt) (C _p )

С q _{потеряно} с левой стороны и q _{с усилением} с правой стороны.

Подставляя значения в вышеприведенное, мы получаем:

(32,2) (46,8 — x) (4,184) = (32,2) (x — 14,9) (4,184)

Решить относительно x

---

Пример 2: Определите конечную температуру, когда 45,0 г воды при 20,0 ° C смешиваются с 22,3 г воды при 85,0 ° C.

Решение:

Мы начинаем с того, что называем конечную конечную температуру «х». Имейте в виду, что ОБЕ пробы воды будут иметь температуру, которую мы называем «х».Также убедитесь, что вы понимаете, что мы используем «x» НЕ Δt, а температуру FINAL . Это то, для чего мы решаем.

Более теплая вода опускается с 85,0 до x, это означает, что ее Δt равно 85,0 минус x. Температура более холодной воды повышается (с 20,0 до конечной температуры), поэтому ее Δt равно x минус 14,9.

Этот последний абзац может немного сбивать с толку, поэтому давайте сравним его с числовой строкой:

Чтобы вычислить абсолютное расстояние, это большее значение минус меньшее значение, поэтому 85.От 0 до x составляет 85,0 — x, а расстояние от x (большее значение) до 20,0 (меньшее значение) составляет x — 20,0.

Количество энергии, выходящей из теплой воды, равно количеству энергии, уходящей в холодную воду. Это означает:

q _потеря = q _{прирост}

Итак, подстановкой мы получаем:

(22,3) (85,0 — x) (4,184) = (45,0) (x — 20,0) (4,184)

Решить относительно x

---

Пример № 3: Определите конечную температуру при 30.0 г воды при 8,00 ° C смешивается с 60,0 г воды при 28,2 ° C.

Решение:

(60,0) (28,2 — x) (4,184) = (30,0) (x — 8,00) (4,184)

---

Пример № 4: Образец метанола массой 29,5 г при 208,9 К смешивают с 54,3 г метанола при 302,3 К. Рассчитайте конечную температуру смеси, предполагая, что тепло не теряется в контейнерах и окружающей среде. Удельная теплоемкость метанола составляет 2,53 Дж / г ¯ ¹ К ¯ ¹

Решение:

Пусть конечная температура будет ‘x.Таким образом, Δt для более теплого метанола будет «302,3 — x», а для более холодного метанола — «x — 208,9». Помните, что «x» — это конечная температура, она ниже, чем у более теплого метанола, и выше, чем у более холодного метанола.

Помните:

(1) (масса) (Δt) (C _p ) = (масса) (Δt) (C _p )

(2) q _{потеряно} слева; q _{усиление} справа.

Подставляя и решая, получаем:

(29,5) (х — 208.9) (2,53) = (54,3) (302,3 — х) (2,53)

29,5x — 6162,55 = 16414,89 — 54,3x

83,8x = 22577,44

x = 269,4 К

В случае, если вы не уверены, что случилось с 2,53, я сначала просто разделил обе стороны на 2,53.

---

Пример № 5: Лист никеля весом 10,0 г и при температуре 18,0 ° C помещают плашмя на лист железа весом 20,0 г и при температуре 55,6 ° C. Какова конечная температура соединенных металлов? Предположим, что в окружающую среду не теряется тепло.

Решение:

Эта задача требует от нас определения теплоемкости никеля и железа. Для этого мы воспользуемся этим сайтом. Приведены значения соответственно 0,54 Дж ¯ ¹ ° C ¯ ¹ и 0,46 Дж ¯ ¹ ° C ¯ ¹

Обратите внимание, что единицы измерения на месте — кДж кг ¯ ¹ K ¯ ¹ . Кроме того, обратите внимание, что я написал J g ¯ ¹ ° C ¯ ¹ . Также обратите внимание, что нет числовой разницы при использовании любой единицы удельной теплоемкости (единицы кДж или единицы Дж).Другими словами:

один кДж кг ¯ ¹ K ¯ ¹ = один Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹

Левый блок одобрен ИЮПАК; тот, который находится справа, наиболее часто используется.

К решению:

q _потеря = q _{прирост}

Следовательно:

(20,0) (55,6 — x) (0,46) = (10,0) (x — 18,0) (0,54)

9,2 (55,6 — х) = 5,4 (х — 18)

511,52 — 9,2x = 5,4x — 97.2

14,6x = 608,72

x = 41,7 ° С

---

Пример № 6: 10,0 г пара при 100 ° C смешивают с 50,0 г льда. Какова конечная температура 60,0 г жидкой воды?

Решение:

1) Прежде чем приступить к цифрам, подумайте, что происходит:

Энергия высвобождается, когда:

пар конденсируется
горячая вода остывает

Энергия поглощается, когда:

лед тает
подогревается холодная вода

Эти два количества энергии равны друг другу:

(конденсируется пар) + (горячая вода остывает) = (лед тает) + (холодная вода нагревается)

С каждой из этих четырех частей будет связано вычисление.

2) Вот они:

пар конденсируется	(10,0 г) (2259 Дж / г)
горячая вода остывает	(10,0 г) (100 — x) (4,184 Дж / г ° C)
лед тает	(50,0 г) (334 Дж / г)
холодная вода нагревается	(50,0 г) (x — 0) (4,184 Дж / г ° C)

3) Решаемая установка:

[(10,0 г) (2259 Дж / г)] + [(10.0 г) (100 — x) (4,184 Дж / г ° C)] = [(50,0 г) (334 Дж / г)] + [(50,0 г) (x — 0) (4,184 Дж / г ° C)]

22590 + 4184 — 41,84x = 16700 + 209,2x

251,04x = 10074

x = 40,1 ° C

---

Пример № 7: Сколько граммов льда при -17,0 ° C нужно добавить к 741 грамму воды, которая изначально имеет температуру 70,0 ° C, чтобы получить воду с конечной температурой 12,0 ° C?

Предположим, что в окружающую среду не теряется тепло и что емкость имеет незначительную массу.Удельная теплоемкость жидкой воды составляет 4184 Дж / кг ° C, а льда — 2000 Дж / кг ° C. Для воды нормальная температура плавления составляет 0,0 ° C, а теплота плавления составляет 334 x 10 ³ Дж / кг.

Решение:

1) Сколько энергии теряет 70,0 ° C при охлаждении до 12,0 ° C?

q = (4184 Дж / кг ° C) (0,741 кг) (58,0 ° C)

q = 173619,264 Дж

2) Лед, поглощающий энергию, будет делать три вещи:

(а) прогрев от −17 до 0
(б) расплав
(в) разогреть (в виде жидкости) от 0 до 12

3) С каждым из этих трех изменений связан расчет:

(а) q = (x) (17.0 ° C) (2000. Дж / кг ° C)
(б) q = (334 x 10 ³ Дж / кг) (x)
(c) q = (x) (12,0 ° C) (4184. Дж / кг ° C)

4) Сумма этих трех вычислений составляет 173619,264 Дж:

173619,264 Дж = [(x) (17,0 ° C) (2000. Дж / кг ° C)] + [334 x 10 ³ Дж / кг) (x)] + [(x) (12,0 ° C) (4184. Дж / кг ° C)]

173619,264 Дж = [(34000 Дж / кг) (x)] + [(334000 Дж / кг) (x)] + [(50208 Дж / кг) (x)]

(418208 Дж / кг) (x) = 173619,264 Дж

x = 173619,264 Дж / (418208 Дж / кг)

х = 0.415 кг = 415 г

---

Пример № 8: Предположим, что 45,0 граммов воды при 85,0 ° C добавлено к 105,0 граммам льда при 0,0 ° C. Молярная теплота плавления воды составляет 6,02 кДж / моль, а удельная теплоемкость воды составляет 4,184 Дж / г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ . На основании этих данных:

(а) Какая будет конечная температура смеси?
б) Сколько граммов льда растает?

Решение:

1) Определите, сколько энергии теряет 45.0 граммов воды при охлаждении до нуля по Цельсию:

q = (45,0 г) (85,0 ° C) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )

q = 16003,8 Дж

2) Определите энергию, необходимую для растопления всех 105,0 граммов льда:

q = (105,0 г / 18,015 г / моль) (6020 Дж / моль)

q = 35087,43 Дж

3) Теплая вода не дает достаточно энергии, чтобы растопить весь лед. Определим, сколько льда растает к 16003,8 Дж:

16003.8 Дж = (x / 18,015 г / моль) (6020 Дж / моль)

х = 47,9 г

4) Поскольку лед остается в контакте с жидкой водой, конечная температура смеси будет равна нулю градусов Цельсия.

---

Пример № 9: Предположим, что 145,0 граммов воды при 85,0 ° C добавлено к 105,0 граммам льда при 0,0 ° C. Молярная теплота плавления воды составляет 6,02 кДж / моль, а удельная теплоемкость воды составляет 4,184 Дж / г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ . На основании этих данных:

(а) Какая будет конечная температура смеси?
б) Сколько граммов льда растает?

Решение:

1) Определите, сколько энергии теряет 145.0 граммов воды при охлаждении до нуля по Цельсию:

q = (145,0 г) (85,0 ° C) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )

q = 51567,8 Дж

2) Определите энергию, необходимую для растопления всех 105,0 граммов льда:

q = (105,0 г / 18,015 г / моль) (6020 Дж / моль)

q = 35087,43 Дж

3) Теплая вода дает более чем достаточно энергии, чтобы растопить весь лед (есть ответ на часть б). Сколько энергии осталось:

51567.8 Дж — 35087,43 Дж = 16480,37 Дж

4) Теперь у нас есть 250,0 г (от 145,0 + 105,0) жидкой воды при нуле Цельсия, и мы собираемся добавить 16480,37 Дж. Какая температура получается?

16480,37 Дж = (250,0 г) (Δt) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )

Δt = 15,8 ° C (до трех сигнатур)

Поскольку вода начиналась с нуля, 15,8 ° C — это температура всего количества воды в конце. Это ответ на часть а.

5) Эту проблему также можно решить с помощью одного большого уравнения:

тепло, используемое для таяния льда + тепло, используемое для повышения температуры = тепло, теряемое теплой водой

[(105.0 г / 18,015 г / моль) (6020 Дж / моль)] + [(105,0 г) (x — 0 ° C) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )] = [(145,0 г) (85,0 ° C — x) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )]

35087,43 Дж + [(439,32 Дж ° C ¯ ¹ ) (x)] = [(606,68 Дж ° C ¯ ¹ ) (85,0 ° C — x)]

35087,43 Дж + [(439,32 Дж ° C ¯ ¹ ) (x)] = 51567,8 Дж — [(606,68 Дж ° C ¯ ¹ ) (x)]

(1046 Дж ° C ¯ ¹ ) (x) = 16480,37 Дж

x = 15,8 ° C

---

Пример № 10: 40.0 граммов льда при -11,0 ° C помещают в 295 г воды при 25,0 ° C. Предполагая, что энергия не передается в окружающую среду или из нее, рассчитайте конечную температуру воды после таяния всего льда.

Теплоемкость H ₂ O (s) = 37,3 Дж / (моль K)
Теплоемкость H ₂ O (ℓ) = 75,3 Дж / (моль K)
Энтальпия плавления H ₂ O (s) = 6,02 кДж / моль

Решение:

1) Вот что делает лед:

(а) нагревается от −11 до нуля (37.3 Дж / (моль К) здесь участвует)
(b) он плавится, оставаясь на нуле (здесь задействовано 6,02 кДж / моль)
(c) он нагревается от нуля до некоторой неизвестной температуры (здесь задействовано 75,3 Дж / (моль К))

2) Настройки для трех вышеперечисленных:

q _a = (40 г / 18,0 г / моль) (11 ° C) (37,3 Дж / (моль K)) = 911,78 Дж

q _b = (40 г / 18,0 г / моль) (6,02 кДж / моль) = 13,378 кДж = 13378 Дж

q _c = (40 г / 18,0 г / моль) (x) (75,3 Дж / (моль K) 3) 295 г воды остынут с 25 до конечной температуры, которая является неизвестным «х».

q _d = (295 г / 18.0 г / моль) (25 — x) (75,3 Дж / (моль K)

4) Установите q _a + q _b + q _c равным q _d и решите относительно x:

911,78 J + 13378 J + (40 г / 18,0 г / моль) (x) (75,3 Дж / (моль K) = (295 г / 18,0 г / моль) (25 — x) (75,3 Дж / (моль K) )

14289,78 + 167,33x = 30852,08 — 1234,08x

1401,41x = 16562,3

x = 11,8 ° С

5) Видите, что на 11 ° C выше? Он отменяется со всеми значениями K. Это потому, что это разница в одиннадцать градусов, а величина в один градус Цельсия равна величине в один градус Кельвина.Не добавляйте 273 ко всем различным K в задаче.

---

Бонусный пример № 1: 100,0 мл воды первоначально имели температуру 60,1 ° C. После добавления льда конечная температура составляла 1,9 ° C, а конечный объем 171,0 мл. Рассчитайте молярную энтальпию плавления льда.

Решение:

1) Теплая вода потеряла немного энергии. Давайте посчитаем эту сумму:

q = (100 г) (58,2 ° C) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )

q = 24350.88 Дж

2) Эта энергия сделала две вещи:

1) растопил 70 г льда

2) поднял 70 г жидкой воды с 0 до 1,9

3) Я собираюсь подсчитать, сколько энергии задействовано во втором:

q = (71 г) (1,9 ° C) (4,184 Дж г ¯ ¹ ° C ¯ ¹ )

q = 564,4216 Дж

4) Эта энергия не растопила лед, поэтому давайте избавимся от нее:

24350,88 — 564,4216 = 23786,4584 Дж

5) Теперь для молярной энтальпии:

23.7864584 кДж / (71 г / 18,015 г / моль) = 6,04 кДж / моль (для трех сигнатур)

---

Дополнительный пример № 2: 50,0 г метанола (CH ₃ OH) при 42,0 ° C смешивают с 375 г воды при 10,0 ° C. Какова конечная температура смеси?

Решение:

1) Мы смотрим на точку кипения метанола и находим, что она равна 64,7 ° C. Поскольку и метанол, и вода остаются жидкостями, в расчетах будет учитываться только удельная теплоемкость жидкости:

метанол —> 79.9 Дж / (моль К)
вода —> 4,184 Дж / (г · К)

Обратите внимание, что я намеренно указал удельную температуру в разных единицах измерения.

2) Единицы измерения для всех значений ДОЛЖНЫ быть одинаковыми. Поменяю воду:

4,184 Дж		18,015 г
–––––––	х	–––––––	= 75,37476 Дж / (моль К)
г К		моль

3) Тепло, теряемое более теплым метанолом, полностью идет на нагрев более холодной воды без потерь для окружающей среды:

q _{метанол} = q _вода

(моль) (темп.изменение) (удельная теплоемкость) = (моль) (изменение температуры) (удельная теплоемкость)

(50,0 г / 32,04 г / моль) (42,0 — x) (79,9 Дж / (моль K)) = (375 г / 18,015 г / моль) (x — 10) (75,37476 Дж / (моль K))

5236,89369 — 124,687945x = 1569x — 1569

20926,89369 = 1693,687945x

x = 12,4 ° C

4) Предположим, я изменил значение метанола:

79,9 Дж		1 моль
–––––––	х	–––––––	= 2.49376 Дж / (г · К)
моль К		32,04 г

5) И решаем:

(масса) (изменение температуры) (удельная теплоемкость) = (масса) (изменение температуры) (удельная теплоемкость)

(50,0 г) (42,0 — x) (2,49376 Дж / (г K)) = (375 г) (x — 10) (4,184 Дж / (г K))

5236,896 — 124,688x = 1569x — 15690

Это тот же результат, что и на шаге 3 выше.

6) В приведенных выше расчетах единицами измерения температуры являются градусы Цельсия, в то время как градусы Кельвина участвуют в измерениях теплоемкости.Эти единицы будут отменены, потому что это изменения температуры, а не измерения заданной температуры.

Конечным результатом является то, что вы получите значение Кельвина, соответствующее 12,4 ° C, если вы выполните расчет с помощью Кельвина:

(50,0 г) (315 — x) (2,49376 Дж / (г K)) = (375 г) (x — 283) (4,184 Дж / (г K))

39276,72 — 124,688x = 1569x — 444027

483303,72 = 1693,688x

х = 285,3558 К

Что составляет 12,4 ° C при изменении на градусы Цельсия и округлении.

---

Перейти к смешиванию двух количеств воды: задачи 1-10

Перейти к расчету конечной температуры при смешивании воды и куска металла

Назад в меню термохимии

Рабочий лист № 2

Открытые учебники | Сиявула

Математика

Наука

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 7A

      • Марка 7Б

      • Оценка 7 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 7А

      • Граад 7Б

      • Граад 7 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • класс 8A

      • Марка 8Б

      • Оценка 8 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 8А

      • Граад 8Б

      • Граад 8 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 9А

      • Марка 9Б

      • 9 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 9А

      • Граад 9Б

      • Граад 9 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 4A

      • Класс 4Б

      • Класс 4 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 4А

      • Граад 4Б

      • Граад 4 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 5А

      • Марка 5Б

      • Оценка 5 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 5А

      • Граад 5Б

      • Граад 5 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 6A

      • класс 6Б

      • 6 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 6А

      • Граад 6Б

      • Граад 6 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколь угодно часто. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без бренда)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Глава 7 — Растворы — Химия

Глава 7: Растворы A nd Стехиометрия раствора

7.1 Введение

7.2 Типы решений

7.3 Растворимость

7.4 Температура и растворимость

7.5 Влияние давления на растворимость газов: закон Генри

7,6 Твердые гидраты

7.7 Концентрация раствора

7.7.1 Молярность

7.7.2 Количество частей в решениях

7,8 Разведения

7.9 Концентрации ионов в растворе

7.10 Внимание к окружающей среде: загрязнение свинцом

7.11 Резюме

7.12 Ссылки

---

7.1 Введение:

Напомним из главы 1, что растворы , , , определяются как гомогенные смеси, которые перемешаны настолько тщательно, что ни один компонент не может наблюдаться независимо от другого. Решения повсюду вокруг нас. Например, воздух — это решение.Если вы живете рядом с озером, рекой или океаном, этот водоем не является чистым H ₂ O, но, скорее всего, является решением. Многие из того, что мы пьем, например газированные напитки, кофе, чай и молоко, являются растворами. Решения — большая часть повседневной жизни. Большая часть химии, происходящей вокруг нас, происходит в растворе. Фактически, большая часть химии, происходящей в нашем собственном организме, происходит в растворах, и многие растворы, такие как раствор лактата Рингера для внутривенного введения, важны для здравоохранения. В нашем понимании химии нам нужно немного разбираться в растворах.В этой главе вы узнаете об особых характеристиках решений, их характеристиках и некоторых их свойствах.

Навыки для развития

• Определите эти термины: раствор, растворенное вещество и растворитель.
• Различают растворы, смеси и коллоиды.
• Опишите различные типы решений.
• Различают ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворы.

Главный компонент раствора называется растворителем , а второстепенный компонент (ы) называется растворенным веществом .Если оба компонента в растворе составляют 50%, термин «растворенное вещество» может относиться к любому компоненту. Когда газообразный или твердый материал растворяется в жидкости, газ или твердый материал называется растворенным веществом. Когда две жидкости растворяются друг в друге, основной компонент называется растворителем , а второстепенный компонент называется растворенным веществом .

Многие химические реакции протекают в растворах, и растворы также тесно связаны с нашей повседневной жизнью.Воздух, которым мы дышим, жидкости, которые мы пьем, и жидкости в нашем теле — все это решения. Кроме того, нас окружают такие решения, как воздух и вода (в реках, озерах и океанах).

По теме решений мы включаем следующие разделы.

1. Типы растворов: газообразные, жидкие и твердые растворы в зависимости от состояния раствора.
2. Стехиометрия раствора: выражение концентрации в различных единицах (масса на единицу объема, моль на единицу объема, процент и доли), расчеты стехиометрии реакции с использованием растворов.
3. Растворы электролитов: растворы кислот, оснований и солей, в которых растворенные вещества диссоциируют на положительные и отрицательные гидратированные ионы.
4. Метатезис или обменные реакции: реакция электролитов, приводящая к нейтральным молекулам, газам и твердым веществам.

Решение проблем стехиометрии раствора требует концепций, введенных в стехиометрию в главе 6, которая также обеспечивает основу для обсуждения реакций.

(Вернуться к началу)

---

7.2 типа решений

В главе 1 вы познакомились с концепцией смеси , которая представляет собой вещество, состоящее из двух или более веществ. Напомним, что смеси могут быть двух типов: гомогенные и гетерогенные, где гомогенные смеси сочетаются настолько тесно, что их можно рассматривать как единое вещество, хотя это не так. С другой стороны, гетерогенные смеси неоднородны и имеют участки смеси, которые отличаются от других участков смеси.Гомогенные смеси можно разделить на две категории: коллоиды и растворы. Коллоид — это смесь, содержащая частицы диаметром от 2 до 500 нм. Коллоиды кажутся однородными по своей природе и имеют одинаковый состав, но являются мутными или непрозрачными. Молоко — хороший пример коллоида. Истинные растворы имеют размер частиц типичного иона или небольшой молекулы (от 0,1 до 2 нм в диаметре) и прозрачны, хотя могут быть окрашены. В этой главе основное внимание будет уделено характеристикам истинных решений.

Материал существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Решения также существуют во всех этих состояниях:

1. Газовые смеси обычно однородны и обычно представляют собой газо-газовые растворы . Для количественной обработки такого типа растворов мы посвятим единицу газам. Атмосфера представляет собой газообразный раствор, состоящий из азота, кислорода, аргона, двуокиси углерода, воды, метана и некоторых других второстепенных компонентов. Некоторые из этих компонентов, такие как вода, кислород и углекислый газ, могут различаться по концентрации в разных местах на Земле в зависимости от таких факторов, как температура и высота над уровнем моря.
2. Когда молекулы газа, твердого вещества или жидкости диспергированы и смешаны с молекулами жидкости, гомогенные (однородные) состояния называются жидкими растворами . Твердые вещества, жидкости и газы растворяются в жидком растворителе с образованием жидких растворов. В этой главе большая часть химии, которую мы обсудим, происходит в жидких растворах, где вода является растворителем.
3. Многие сплавы, керамика и полимерные смеси — это твердые растворы . В определенных пределах медь и цинк растворяются друг в друге и затвердевают с образованием твердых растворов, называемых латунью.Серебро, золото и медь образуют множество различных сплавов, уникальных по цвету и внешнему виду. Сплавы и другие твердые растворы важны в мире химии материалов.

(Вернуться к началу)

---

7.3 Растворимость

Максимальное количество вещества, которое может быть растворено в данном объеме растворителя, называется растворимостью . Часто растворимость в воде выражается в граммах / 100 мл. Раствор, не достигший максимальной растворимости, называется ненасыщенным раствором . Это означает, что к растворителю все еще может быть добавлено больше растворенного вещества, и растворение все равно будет происходить.

Раствор, достигший максимальной растворимости, называется насыщенным раствором . Если в этот момент добавить больше растворенного вещества, оно не растворится в растворе. Вместо этого он останется в осадке в виде твердого вещества на дне раствора. Таким образом, часто можно сказать, что раствор является насыщенным, если присутствует дополнительное растворенное вещество (оно может существовать в виде другой фазы, такой как газ, жидкость или твердое вещество).В насыщенном растворе нет чистого изменения количества растворенного вещества, но система никоим образом не статична. Фактически растворенное вещество постоянно растворяется и откладывается с одинаковой скоростью. Такое явление называется равновесием . Например:

В особых случаях раствор может быть перенасыщенным . Перенасыщенные растворы — это растворы, в которых растворенные вещества растворяются за пределами нормальной точки насыщения.Обычно для создания перенасыщенного раствора требуются такие условия, как повышенная температура или давление. Например, ацетат натрия имеет очень высокую растворимость при 270 К. При охлаждении такой раствор остается растворенным в так называемом метастабильном состоянии . Однако, когда к раствору добавляют кристалл затравки , дополнительное растворенное вещество быстро затвердевает. В процессе кристаллизации выделяется тепло, и раствор становится теплым. Обычные грелки для рук используют этот химический процесс для выработки тепла.

Видео 7.1: Видео, показывающее кристаллизацию перенасыщенного раствора ацетата натрия. Видео: Школа естественных и математических наук Северной Каролины

---

Итак, как мы можем предсказать растворимость вещества?

Одна полезная классификация материалов — полярность. Читая о ковалентных и ионных соединениях в главах 3 и 4, вы узнали, что ионные соединения имеют самую высокую полярность, образуя полные катионы и анионы внутри каждой молекулы, поскольку электроны передаются от одного атома к другому.Вы также узнали, что ковалентные связи могут быть полярными или неполярными по своей природе в зависимости от того, разделяют ли атомы, участвующие в связи, электроны неравномерно или поровну, соответственно. Напомним, что по разнице электроотрицательностей можно определить полярность вещества. Обычно ионная связь имеет разность электроотрицательностей 1,8 или выше, тогда как полярная ковалентная связь составляет от 0,4 до 1,8, а неполярная ковалентная связь составляет 0,4 или ниже.

Рисунок 7.1 Диаграмма разности электроотрицательностей. Приведенная выше диаграмма является руководством для определения типа связи между двумя разными атомами. Взяв разницу между значениями электроотрицательности для каждого из атомов, участвующих в связи, можно предсказать тип связи и полярность. Обратите внимание, что полный ионный характер достигается редко, однако, когда металлы и неметаллы образуют связи, они называются в соответствии с правилами ионного связывания.

---

Вещества с нулевой или низкой разницей электроотрицательности, такие как H ₂ , O ₂ , N ₂ , CH ₄ , CCl ₄ , являются неполярными соединениями , тогда как H ₂ O, NH ₃ , CH ₃ OH, NO, CO, HCl, H ₂ S, PH ₃ Более высокая разница электроотрицательности составляет полярных соединений .Обычно соединения, имеющие сходную полярность, растворимы друг в друге. Это можно описать правилом:

Нравится Растворяется нравится.

Это означает, что вещества должны иметь одинаковые межмолекулярные силы для образования растворов. Когда растворимое растворенное вещество вводится в растворитель, частицы растворенного вещества могут взаимодействовать с частицами растворителя. В случае твердого или жидкого растворенного вещества взаимодействия между частицами растворенного вещества и частицами растворителя настолько сильны, что отдельные частицы растворенного вещества отделяются друг от друга и, окруженные молекулами растворителя, входят в раствор.(Газообразные растворенные вещества уже отделены от составляющих частиц, но концепция окружения частицами растворителя все еще применима.) Этот процесс называется solvatio n и проиллюстрирован на рисунке 7.2. Когда растворителем является вода, вместо сольватации используется слово гидратация .

Обычно полярные растворители растворяют полярные растворенные вещества, тогда как неполярные растворители растворяют неполярные растворенные вещества. В целом процесс растворения зависит от силы притяжения между частицами растворенного вещества и частицами растворителя.Например, вода — это высокополярный растворитель, способный растворять многие ионные соли. На рис. 7.2 показан процесс растворения, в котором вода действует как растворитель для растворения кристаллической соли хлорида натрия (NaCl). Обратите внимание, что когда ионные соединения растворяются в растворителе, они распадаются на свободно плавающие ионы в растворе. Это позволяет соединению взаимодействовать с растворителем. В случае растворения хлорида натрия в воде ион натрия притягивается к частичному отрицательному заряду атома кислорода в молекуле воды, тогда как ион хлорида притягивается к частичным положительным атомам водорода.

Рисунок 7.2: Процесс растворения. Когда ионная соль, такая как хлорид натрия, показанная на (A), вступает в контакт с водой, молекулы воды диссоциируют ионные молекулы хлорида натрия в их ионное состояние, что показано в виде молекулярной модели на (B) твердого тела. кристаллическая решетка хлорида натрия и (C) хлорид натрия, растворенный в водном растворителе. (Фотография хлорида натрия предоставлена ​​Крисом 73).

---

Многие ионные соединения растворимы в воде, однако не все ионные соединения растворимы.Ионные соединения, растворимые в воде, существуют в растворе в ионном состоянии. На рис. 7.2 вы заметите, что хлорид натрия распадается на ион натрия и ион хлорида по мере растворения и взаимодействия с молекулами воды. В случае ионных соединений, не растворимых в воде, ионы настолько сильно притягиваются друг к другу, что не могут быть разделены частичными зарядами молекул воды. Следующая таблица может помочь вам предсказать, какие ионные соединения будут растворимы в воде.

Таблица 7.1 Правила растворимости

Диссоциация растворимых ионных соединений придает растворам этих соединений интересное свойство: они проводят электричество. Из-за этого свойства растворимые ионные соединения называются электролитами . Многие ионные соединения полностью диссоциируют и поэтому называются сильными электролитами . Хлорид натрия — пример сильного электролита.Некоторые соединения растворяются, но диссоциируют лишь частично, и растворы таких растворенных веществ могут лишь слабо проводить электричество. Эти растворенные вещества называются слабыми электролитами . Уксусная кислота (CH ₃ COOH), входящая в состав уксуса, является слабым электролитом. Растворенные вещества, которые растворяются в отдельные нейтральные молекулы без диссоциации, не придают своим растворам дополнительную электропроводность и называются неэлектролитами . Полярные ковалентные соединения, такие как столовый сахар (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ), являются хорошими примерами неэлектролитов .

Термин электролит используется в медицине для обозначения любых важных ионов, растворенных в водном растворе в организме. Важные физиологические электролиты включают Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , Mg ^{2 +} и Cl ^— . Спортивные напитки, такие как Gatoraid, содержат комбинации этих ключевых электролитов, которые помогают восполнить потерю электролитов после тяжелой тренировки.

Аналогичным образом решения могут быть получены путем смешивания двух совместимых жидкостей.Жидкость с более низкой концентрацией называется растворенным веществом , , а жидкость с более высокой концентрацией — растворителем . Например, зерновой спирт (CH ₃ CH ₂ OH) представляет собой полярную ковалентную молекулу, которая может смешиваться с водой. Когда два одинаковых раствора помещаются вместе и могут смешиваться в раствор, они считаются смешиваемыми . С другой стороны, жидкости, которые не имеют сходных характеристик и не могут смешиваться вместе, называются несмешивающимися .Например, масла, содержащиеся в оливковом масле, такие как олеиновая кислота (C ₁₈ H ₃₄ O ₂ ), имеют в основном неполярные ковалентные связи, которые не имеют межмолекулярных сил, достаточно сильных, чтобы разорвать водородную связь между молекулы воды. Таким образом, вода и масло не смешиваются и считаются несмешивающимися .

Другие факторы, такие как температура и давление, также влияют на растворимость растворителя. Таким образом, при определении растворимости следует также учитывать эти другие факторы.

(Вернуться к началу)

---

7.4 Температура и растворимость

При рассмотрении растворимости твердых веществ соотношение температуры и растворимости не является простым или предсказуемым. На рис. 7.3 показаны графики растворимости некоторых органических и неорганических соединений в воде в зависимости от температуры. Хотя растворимость твердого вещества обычно увеличивается с повышением температуры, нет простой взаимосвязи между структурой вещества и температурной зависимостью его растворимости.Многие соединения (например, глюкоза и CH ₃ CO ₂ Na) демонстрируют резкое увеличение растворимости с повышением температуры. Другие (такие как NaCl и K ₂ SO ₄ ) мало изменяются, а третьи (такие как Li ₂ SO ₄ ) становятся менее растворимыми с повышением температуры.

Рис. 7.3. Растворимость некоторых неорганических и органических твердых веществ в воде в зависимости от температуры. Растворимость может увеличиваться или уменьшаться с температурой; величина этой температурной зависимости широко варьируется между соединениями.

---

Изменение растворимости в зависимости от температуры было измерено для широкого диапазона соединений, и результаты опубликованы во многих стандартных справочниках. Химики часто могут использовать эту информацию для разделения компонентов смеси путем фракционной кристаллизации , разделения соединений на основе их растворимости в данном растворителе. Например, если у нас есть смесь 150 г ацетата натрия (CH ₃ CO ₂ Na) и 50 г KBr, мы можем разделить два соединения, растворив смесь в 100 г воды при 80 ° C. а затем медленно охлаждают раствор до 0 ° C.Согласно температурным кривым на рисунке 7.3 оба соединения растворяются в воде при 80 ° C, и все 50 г KBr остаются в растворе при 0 ° C. Однако только около 36 г CH ₃ CO ₂ Na растворимо в 100 г воды при 0 ° C, поэтому кристаллизуется примерно 114 г (150 г — 36 г) CH ₃ CO ₂ Na при охлаждении. Затем кристаллы можно отделить фильтрованием. Таким образом, фракционная кристаллизация позволяет нам восстановить около 75% исходного CH ₃ CO ₂ Na в практически чистой форме всего за одну стадию.

Фракционная кристаллизация — это распространенный метод очистки таких разнообразных соединений, как показано на рис. 7.3, и от антибиотиков до ферментов. Чтобы методика работала должным образом, интересующее соединение должно быть более растворимым при высокой температуре, чем при низкой температуре, чтобы понижение температуры заставляло его кристаллизоваться из раствора. Кроме того, примеси должны быть на более растворимыми на , чем представляющее интерес соединение (как KBr в этом примере), и предпочтительно присутствовать в относительно небольших количествах.

Растворимость газов в жидкостях гораздо более предсказуема. Растворимость газов в жидкостях уменьшается с повышением температуры, как показано на рисунке 7.4. Привлекательные межмолекулярные взаимодействия в газовой фазе практически равны нулю для большинства веществ, потому что молекулы находятся так далеко друг от друга, когда находятся в газовой форме. Когда газ растворяется, это происходит потому, что его молекулы взаимодействуют с молекулами растворителя. Когда формируются эти новые силы притяжения, выделяется тепло. Таким образом, если к системе добавляется внешнее тепло, оно преодолевает силы притяжения между газом и молекулами растворителя и снижает растворимость газа.

Рис. 7.4 Зависимость растворимости нескольких обычных газов в воде от температуры при парциальном давлении 1 атм. Растворимость газов уменьшается с повышением температуры.

---

Уменьшение растворимости газов при более высоких температурах имеет как практические, так и экологические последствия. Любой, кто регулярно кипятит воду в чайнике или электрочайнике, знает, что внутри накапливается белый или серый налет, который в конечном итоге необходимо удалить.То же явление происходит в гораздо большем масштабе в гигантских котлах, используемых для подачи горячей воды или пара для промышленных применений, где это называется «котельная накипь», — нагар, который может серьезно снизить пропускную способность труб горячего водоснабжения ( Рисунок 7.5). Проблема не только в современном мире: акведуки, построенные римлянами 2000 лет назад для транспортировки холодной воды из альпийских регионов в более теплые и засушливые регионы на юге Франции, были забиты аналогичными отложениями. Химический состав этих отложений умеренно сложен, но движущей силой является потеря растворенного диоксида углерода (CO ₂ ) из ​​раствора.Жесткая вода содержит растворенные ионы Ca ²⁺ и HCO ₃ ^— (бикарбонат). Бикарбонат кальция [Ca (HCO ₃ ) ₂ ] довольно растворим в воде, но карбонат кальция (CaCO ₃ ) совершенно нерастворим. Раствор бикарбонат-ионов может реагировать с образованием диоксида углерода, карбонат-иона и воды:

2HCO ₃ ^— (водн.) → CO ₂ ^2- (водн.) + H ₂ O (л) + CO ₂ (водн.)

Нагревание раствора снижает растворимость CO ₂ , который уходит в газовую фазу над раствором.В присутствии ионов кальция ионы карбоната осаждаются в виде нерастворимого карбоната кальция, основного компонента накипи в котле.

Рис. 7.5 Весы котла в водопроводе. Отложения карбоната кальция (CaCO ₃ ) в трубах горячего водоснабжения могут значительно снизить пропускную способность труб. Эти отложения, называемые котловой накипью, образуются, когда растворенный CO ₂ переходит в газовую фазу при высоких температурах.

---

В тепловое загрязнение озерная или речная вода, которая используется для охлаждения промышленного реактора или электростанции, возвращается в окружающую среду при более высокой температуре, чем обычно.Из-за пониженной растворимости O ₂ при более высоких температурах (рис. 7.4) более теплая вода содержит меньше растворенного кислорода, чем вода, когда она попадала в растение. Рыбы и другие водные организмы, которым для жизни нужен растворенный кислород, могут буквально задохнуться, если концентрация кислорода в их среде обитания будет слишком низкой. Поскольку теплая, обедненная кислородом вода менее плотная, она имеет тенденцию плавать на поверхности более холодной, плотной и богатой кислородом воды в озере или реке, образуя барьер, препятствующий растворению атмосферного кислорода.В конце концов, если проблему не устранить, можно задохнуться даже в глубоких озерах. Кроме того, большинство рыб и других водных организмов, не являющихся млекопитающими, хладнокровны, а это означает, что температура их тела такая же, как температура окружающей среды. Температура, значительно превышающая нормальный диапазон, может привести к тяжелому стрессу или даже смерти. Системы охлаждения для электростанций и других объектов должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму любые неблагоприятные воздействия на температуру окружающих водоемов.На северо-западе Тихого океана популяции лососевых чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры воды. Для этой популяции оптимальная температура воды составляет от 12,8 до 17,8 ^o C (55-65 ^o F). Помимо пониженного уровня кислорода, популяции лосося гораздо более восприимчивы к болезням, хищничеству и паразитарным инфекциям при более высоких температурах воды. Таким образом, тепловое загрязнение и глобальное изменение климата создают реальные проблемы для выживания и сохранения этих видов.Для получения дополнительной информации о влиянии повышения температуры на популяции лососевых посетите Focus Publication штата Вашингтон.

Аналогичный эффект наблюдается в повышении температуры водоемов, таких как Чесапикский залив, крупнейший эстуарий в Северной Америке, причиной которого является глобальное потепление. На каждые 1,5 ° C, которые нагревает вода в заливе, способность воды растворять кислород уменьшается примерно на 1,1%. Многие морские виды, находящиеся на южной границе своего распространения, переместили свои популяции дальше на север.В 2005 году угорь, который является важным местом обитания рыб и моллюсков, исчез на большей части залива после рекордно высоких температур воды. Предположительно, снижение уровня кислорода уменьшило популяцию моллюсков и других питателей, что затем уменьшило светопропускание, что позволило угрям расти. Сложные взаимоотношения в экосистемах, таких как Чесапикский залив, особенно чувствительны к колебаниям температуры, вызывающим ухудшение качества среды обитания.

(Вернуться к началу)

---

7.5 Влияние давления на растворимость газов: закон Генри

Внешнее давление очень мало влияет на растворимость жидкостей и твердых тел. Напротив, растворимость газов увеличивается с увеличением парциального давления газа над раствором. Эта точка проиллюстрирована на рисунке 7.6, где показано влияние повышенного давления на динамическое равновесие, которое устанавливается между молекулами растворенного газа в растворе и молекулами в газовой фазе над раствором.Поскольку концентрация молекул в газовой фазе увеличивается с увеличением давления, концентрация молекул растворенного газа в растворе в состоянии равновесия также выше при более высоких давлениях.

Рис. 7.6 Модель, показывающая, почему растворимость газа увеличивается при увеличении парциального давления при постоянной температуре. (a) Когда газ входит в контакт с чистой жидкостью, некоторые молекулы газа (пурпурные сферы) сталкиваются с поверхностью жидкости и растворяются.Когда концентрация растворенных молекул газа увеличилась так, что скорость, с которой молекулы газа уходят в газовую фазу, была такой же, как скорость, с которой они растворяются, было установлено динамическое равновесие, как показано здесь. (б) Увеличение давления газа увеличивает количество молекул газа в единице объема, что увеличивает скорость, с которой молекулы газа сталкиваются с поверхностью жидкости и растворяются. (c) По мере того, как дополнительные молекулы газа растворяются при более высоком давлении, концентрация растворенного газа увеличивается до тех пор, пока не установится новое динамическое равновесие.

---

Взаимосвязь между давлением и растворимостью газа количественно описывается законом Генри, названным в честь его первооткрывателя, английского врача и химика Уильяма Генри (1775–1836):

C = кПа

, где C — концентрация растворенного газа в состоянии равновесия, P — парциальное давление газа, а k — постоянная закона Генри , которая должна определяться экспериментально для каждой комбинации газа, растворителя, и температура.Хотя концентрацию газа можно выразить в любых удобных единицах, мы будем использовать исключительно молярность. Таким образом, единицами измерения постоянной закона Генри являются моль / (л · атм) = М / атм. Значения констант закона Генри для растворов нескольких газов в воде при 20 ° C приведены в таблице 7.2

---

Видеоурок по закону Генри от Академии Кана

Все материалы Khan Academy доступны бесплатно на сайте www.khanacademy.org

---

Как данные в таблице 7.2 демонстрируют, что концентрация растворенного газа в воде при заданном давлении сильно зависит от ее физических свойств. Для ряда родственных веществ дисперсионные силы Лондона увеличиваются с увеличением молекулярной массы. Таким образом, среди элементов группы 18 константы закона Генри плавно возрастают от He до Ne и до Ar. Из таблицы также видно, что O ₂ почти вдвое растворимее, чем N ₂ . Хотя силы лондонской дисперсии слишком слабы, чтобы объяснить такую ​​большую разницу, O ₂ является парамагнетиком и, следовательно, более поляризуемым, чем N ₂ , что объясняет его высокую растворимость.(Примечание: когда вещество парамагнитно , оно очень слабо притягивается полюсами магнита, но не сохраняет никакого постоянного магнетизма).

Таблица 7.2 Константы закона Генри для выбранных газов в воде при 20 ° C

Парциальное давление газа можно выразить как концентрацию, записав закон Генри как P _газ = C / k. Это важно во многих сферах жизни, включая медицину, где обычно измеряются газы крови, такие как кислород и углекислый газ.Поскольку парциальное давление и концентрация прямо пропорциональны, если парциальное давление газа изменяется, а температура остается постоянной, новую концентрацию газа в жидкости можно легко рассчитать, используя следующее уравнение:

Где C ₁ и P ₁ — соответственно концентрация и парциальное давление газа в исходном состоянии, а C ₂ и P ₂ — концентрация и парциальное давление, соответственно, газа в конечном состоянии.Например:

Практическая задача: Концентрация CO ₂ в растворе составляет 0,032 М при 3,0 атм. Какова концентрация CO ₂ при давлении 5,0 атм?

Решение: Чтобы решить эту проблему, сначала мы должны определить, что мы хотим найти. Это концентрация CO ₂ при давлении 5,0 атм. Эти два значения представляют C ₂ = ?? и P ₂ = 5.0 атм. На этом этапе будет проще всего изменить приведенное выше уравнение, чтобы найти C ₂ . Далее нам нужно определить начальные условия: C ₁ = 0,032 M и P ₁ = 3,0 атм. Затем мы можем подставить эти значения в уравнение и решить для C ₂ :

Газы, которые химически реагируют с водой, такие как HCl и другие галогениды водорода, H ₂ S и NH ₃ , не подчиняются закону Генри; все эти газы гораздо более растворимы, чем предсказывает закон Генри.Например, HCl реагирует с водой с образованием H ⁺ (водн.) И Cl ^— (водн.), , а не растворенных молекул HCl, и его диссоциация на ионы приводит к гораздо более высокой растворимости, чем ожидалось для нейтральной молекулы. В целом газы, вступающие в реакцию с водой, не подчиняются закону Генри.

Обратите внимание на узор

Закон Генри имеет важные приложения. Например, пузырьки CO ₂ образуются, как только газированный напиток открывается, потому что напиток был разлит под CO ₂ при давлении более 1 атм.При открытии бутылки давление CO ₂ над раствором быстро падает, и часть растворенного газа улетучивается из раствора в виде пузырьков. Закон Генри также объясняет, почему аквалангисты должны быть осторожны, чтобы медленно всплывать на поверхность после погружения, если они дышат сжатым воздухом. При более высоком давлении под водой во внутренних жидкостях дайвера растворяется больше N ₂ из воздуха. Если дайвер всплывает слишком быстро, быстрое изменение давления вызывает образование мелких пузырьков N ₂ по всему телу, состояние, известное как «изгибы».Эти пузырьки могут блокировать кровоток по мелким кровеносным сосудам, вызывая сильную боль и в некоторых случаях даже смертельный исход.

Из-за низкой константы закона Генри для O ₂ в воде уровни растворенного кислорода в воде слишком низки для удовлетворения энергетических потребностей многоклеточных организмов, включая человека. Чтобы увеличить концентрацию O ₂ во внутренних жидкостях, организмы синтезируют хорошо растворимые молекулы-носители, которые обратимо связывают O ₂ . Например, красные кровяные тельца человека содержат белок, называемый гемоглобином, который специфически связывает O ₂ и облегчает его транспортировку из легких в ткани, где он используется для окисления молекул пищи с целью получения энергии.Концентрация гемоглобина в нормальной крови составляет около 2,2 мМ, и каждая молекула гемоглобина может связывать четыре молекулы O ₂ . Хотя концентрация растворенного O ₂ в сыворотке крови при 37 ° C (нормальная температура тела) составляет всего 0,010 мМ, общая концентрация растворенного O ₂ составляет 8,8 мМ, что почти в тысячу раз больше, чем было бы возможно без гемоглобина. Синтетические переносчики кислорода на основе фторированных алканов были разработаны для использования в качестве экстренной замены цельной крови.В отличие от донорской крови, эти «кровезаменители» не требуют охлаждения и имеют длительный срок хранения. Их очень высокие константы закона Генри для O ₂ приводят к концентрации растворенного кислорода, сравнимой с таковой в нормальной крови.

(Вернуться к началу)

---

7,6 Твердые гидраты:

Некоторые ионные твердые вещества принимают небольшое количество молекул воды в свою кристаллическую решетку и остаются в твердом состоянии.Эти твердые вещества называются твердыми гидратами . Твердые гидраты содержат молекулы воды, объединенные в определенном соотношении в качестве неотъемлемой части кристалла, которые либо связаны с металлическим центром, либо кристаллизовались с комплексом металла. Сообщается также, что такие гидраты содержат кристаллизационную воду или гидратную воду .

Ярким примером является хлорид кобальта (II), который при гидратации меняет цвет с синего на красный и поэтому может использоваться в качестве индикатора воды.

Рис. 7.7: Хлорид кобальта как пример твердого гидрата. Безводный хлорид кобальта (вверху слева) и его структура кристаллической решетки (внизу слева) по сравнению с гексагидратом хлорида кобальта (вверху справа) и его кристаллическая решетка (внизу справа). Обратите внимание, что молекулы воды, показанные красным (кислород) и белым (водород), интегрированы в кристаллическую решетку хлорида кобальта (II), показанного синим (кобальт) и зеленым (хлорид), в зависимости от полярности. Частично отрицательные атомы кислорода притягиваются к положительно заряженному кобальту, а частично положительные атомы водорода притягиваются к отрицательно заряженным ионам хлорида.Изображения предоставлены Wikipedia Commons (вверху слева и внизу слева), Benjah-bmm27 (вверху справа) и Smokefoot (внизу справа)

Обозначение, используемое для представления твердого гидрата: « гидратированное соединение n H ₂ O », где n — количество молекул воды на формульную единицу соли. n обычно является низким целым числом, хотя возможны дробные значения. Например, в моногидрате n равно единице, а в гексагидрате n равно 6.В примере на рис. 7.7 гидратированный хлорид кобальта будет обозначен: «хлорид кобальта (II) 6 H ₂ O». Числовые префиксы греческого происхождения, которые используются для обозначения твердых гидратов:

• Hemi — 1/2
• моно — 1
• Сескви — 1½
• Ди — 2
• Три — 3
• Тетра — 4
• Пента — 5
• Hexa — 6
• Hepta — 7
• Окта — 8
• Нона — 9
• дека — 10
• ундека — 11
• Додека — 12

Гидрат, потерявший воду, называют ангидридом ; оставшуюся воду, если она есть, можно удалить только при очень сильном нагревании.Вещество, не содержащее воды, обозначается как безводное . Некоторые безводные соединения настолько легко гидратируются, что вытягивают воду из атмосферы и становятся гидратированными. Эти вещества гигроскопичны, и могут использоваться в качестве осушителей или осушителей .

(Вернуться к началу)

---

7.7 Концентрация раствора

В химии концентрация определяется как содержание компонента, деленное на общий объем смеси.Все мы качественно представляем, что подразумевается под концентрацией . Любой, кто варил растворимый кофе или лимонад, знает, что слишком много порошка дает сильно ароматизированный и высококонцентрированный напиток, тогда как слишком мало приводит к разбавленному раствору, который может быть трудно отличить от воды. Количественно концентрация раствора описывает количество растворенного вещества, которое содержится в определенном количестве этого раствора. Знание концентрации растворенных веществ важно для контроля стехиометрии реагентов для реакций, протекающих в растворе, и имеет решающее значение для многих аспектов нашей жизни, от измерения правильной дозы лекарства до обнаружения химических загрязнителей, таких как свинец и мышьяк.Химики используют множество разных способов определения концентраций. В этом разделе мы рассмотрим наиболее распространенные способы представления концентрации раствора. К ним относятся: молярность и количество частей на раствор.

7.7.1 Молярность

Наиболее распространенной единицей концентрации является молярность , которая также является наиболее полезной для расчетов, включающих стехиометрию реакций в растворе. Молярность (M) раствора — это количество молей растворенного вещества, присутствующего точно в 1 л раствора.

Таким образом, единицами молярности являются моль на литр раствора (моль / л), сокращенно М. Обратите внимание, что указанный объем является общим объемом раствора и включает как растворенное вещество, так и растворитель. Например, водный раствор, содержащий 1 моль (342 г) сахарозы в достаточном количестве воды, чтобы получить конечный объем 1,00 л, имеет концентрацию сахарозы 1,00 моль / л или 1,00 М. В химической записи квадратные скобки вокруг названия или формула растворенного вещества представляет собой концентрацию растворенного вещества.Итак

[сахароза] = 1,00 M

читается как «концентрация сахарозы 1,00 молярная». Приведенное выше уравнение можно использовать для расчета количества растворенного вещества, необходимого для получения любого количества желаемого раствора.

Пример проблемы:

Рассчитайте количество молей гидроксида натрия (NaOH), необходимое для получения 2,50 л 0,100 M NaOH.

Дано: (1) идентичность растворенного вещества = NaOH, (2) объем = 2,50 л и (3) молярность раствора = 0.100 моль / л (Примечание: при вычислении задач всегда записывайте единицы молярности как моль / л, а не М. Это позволит вам отменить единицы при выполнении вычислений.)

Запрошено: количество растворенного вещества в молях

Стратегия: (1) Измените приведенное выше уравнение, чтобы найти желаемую единицу, в данном случае молей. (2) Дважды проверьте все единицы в уравнении и убедитесь, что они совпадают. Выполните все необходимые преобразования, чтобы единицы совпадали. (3) Введите значения соответствующим образом и выполните математические вычисления.

Раствор:

(1) Измените приведенное выше уравнение, чтобы найти количество молей.

(2) Еще раз проверьте все единицы в уравнении и убедитесь, что они совпадают.

Приведенные значения для этого уравнения: объем 2,50 л и молярность 0,100 моль / л. Единицы объема для обоих этих чисел указаны в литрах (L) и, следовательно, совпадают. Следовательно, никаких преобразований производить не нужно.

(3) Введите значения соответствующим образом и выполните математические вычисления.

Приготовление растворов

Обратите внимание, что в приведенном выше примере у нас все еще недостаточно информации, чтобы фактически приготовить раствор в лаборатории. Не существует оборудования, которое могло бы измерить количество молей вещества. Для этого нам нужно преобразовать количество молей образца в количество граммов, представленное этим числом. Затем мы можем легко использовать весы для взвешивания количества вещества, необходимого для приготовления раствора.В приведенном выше примере:

Чтобы фактически приготовить раствор, обычно растворяют растворенное вещество в небольшом количестве растворителя, а затем, когда растворенное вещество растворяется, конечный объем может быть доведен до 2,50 л. Если вы добавляете 10 г NaOH напрямую до 2,50 л конечный объем будет больше 2,50 л, а концентрация раствора будет меньше 0,100 М. Помните, что конечный объем должен включать как растворенное вещество, так и растворитель.

На рисунке 7.8 показана процедура приготовления раствора дигидрата хлорида кобальта (II) в этаноле.Обратите внимание, что объем растворителя не указан. Поскольку растворенное вещество занимает пространство в растворе, необходимый объем растворителя на меньше , чем желаемый общий объем раствора.

Рисунок 7.8: Приготовление раствора известной концентрации с использованием твердого вещества. Чтобы приготовить раствор, сначала добавьте в колбу часть растворителя. Затем взвесьте необходимое количество растворенного вещества и медленно добавьте его к растворителю.После растворения в растворителе объем раствора можно довести до конечного объема раствора. Для показанной мерной колбы это обозначено черной линией на горловине колбы. В данном случае это 500 мл раствора. Мерные колбы бывают разных размеров, чтобы вместить разные объемы раствора. Градуированные цилиндры также можно использовать для точного доведения раствора до конечного объема. Другая стеклянная посуда, включая химические стаканы и колбы Эрленмейера, недостаточно точна для большинства решений.

---

Пример расчета молярности

Раствор на рисунке 7.8 содержит 10,0 г дигидрата хлорида кобальта (II), CoCl ₂ · 2H ₂ O, в этаноле, достаточном для приготовления ровно 500 мл раствора. Какова молярная концентрация CoCl ₂ · 2H ₂ O?

Дано: масса растворенного вещества и объем раствора

Запрошено: концентрация (M)

Стратегия:

1.Мы знаем, что молярность равна

моль / литр.

2. Чтобы вычислить молярность, нам нужно выразить:

• масса в виде молей
• объем в литрах
• Подставьте оба в уравнение выше и вычислите

Решение:

1. Преобразование массы в моль. Мы можем использовать молярную массу для перевода граммов CoCl ₂ · 2H ₂ O в моль.

• Молярная масса CoCl ₂ · 2H ₂ O составляет 165.87 г / моль (включая две молекулы воды, поскольку они являются частью структуры кристаллической решетки этого твердого гидрата!)

2. Перевести объем в литры

3. Подставьте значения в уравнение полярности:

7.7.2 Количество частей в решениях

В потребительском и промышленном мире наиболее распространенный метод выражения концентрации основан на количестве растворенного вещества в фиксированном количестве раствора.Упомянутые здесь «количества» могут быть выражены в массе, в объеме или и в том, и в другом (т. Е. масса растворенного вещества в данном объеме раствора). Чтобы различать эти возможности, используются сокращения (m / м), (об / об) и (м / об).

В большинстве прикладных областей химии часто используется мера (м / м), тогда как в клинической химии обычно используется (м / об) с массой , выраженной в граммах, и объемом в мл.

Один из наиболее распространенных способов выражения таких концентраций как « частей на 100 », который мы все знаем как « процентов ».« Cent » — это префикс латинского происхождения, относящийся к числу 100
(L. centum ), как в столетии или столетии . Он также обозначает 1/100 (от L. centesimus ), как сантиметр и денежная единица центов . Процентные растворы определяют количество растворенного вещества, которое растворено в количестве раствора, умноженном на 100. Процентные растворы могут быть выражены в единицах массы растворенного вещества на массу раствора (м / м%) или массы растворенного вещества на объем раствора (м / об.%) или объем растворенного вещества на объем раствора (об. / об.%).При создании процентного раствора важно указать, какие единицы измерения используются, чтобы другие также могли правильно принять решение. Также помните, что раствор представляет собой сумму как растворителя, так и растворенного вещества, когда вы выполняете расчет процентов.

Раствор = Раствор + Растворитель

Таким образом, при вычислении процентных решений можно использовать следующее уравнение:

Пример 1:

В качестве примера, раствор этанола в воде с концентрацией 7,0% об. / Об. Должен содержать 7 мл этанола в общем количестве 100 мл раствора.Сколько воды в растворе?

В этой задаче мы знаем, что:

Раствор = Раствор + Растворитель

Таким образом, мы можем ввести значения, а затем найти неизвестное.

100 мл = 7 мл + X мл растворителя (в данном случае вода)

переместив 7 на другую сторону, мы увидим, что:

100 мл — 7 мл = 93 мл H ₂ O

Пример 2

Какое (м / об)% раствора, если 24.0 г сахарозы растворяют в общем растворе 243 мл?

Пример 3

Сколько граммов NaCl требуется для приготовления 625 мл 13,5% раствора?

---

Для более разбавленных растворов используются части на миллион (10 ⁶ ppm) и части на миллиард (10 ⁹ ; ppb). Эти термины широко используются для обозначения количества следов загрязняющих веществ в окружающей среде.

Одинаковые процентные («части на сотню») единицы, ppm и ppb могут быть определены в единицах массы, объема или смешанных единиц массы-объема.Также существуют единицы ppm и ppb, определяемые по количеству атомов и молекул.

Массовые определения ppm и ppb приведены здесь:

Как ppm, так и ppb являются удобными единицами измерения концентраций загрязняющих веществ и других микропримесей в воде. Концентрации этих загрязнителей, как правило, очень низкие в очищенных и природных водах, и их уровни не могут превышать относительно низкие пороговые значения концентрации, не вызывая неблагоприятных последствий для здоровья и дикой природы.Например, EPA определило, что максимально безопасный уровень фторид-иона в водопроводной воде составляет 4 ppm. Встроенные фильтры для воды предназначены для снижения концентрации фторида и некоторых других незначительных примесей в водопроводной воде (рис. 7.9).

Рисунок 7.9. (a) В некоторых районах следовые концентрации загрязняющих веществ могут сделать нефильтрованную водопроводную воду небезопасной для питья и приготовления пищи. (b) Встроенные фильтры для воды снижают концентрацию растворенных веществ в водопроводной воде.(кредит А: модификация работы Дженн Дарфи; кредит б: модификация работы «Вастатепаркстафф» / Wikimedia commons

---

При сообщении о загрязнителях, таких как свинец, в питьевой воде, концентрации ppm и ppb часто указываются в смешанных единицах измерения массы / объема. Это может быть очень полезно, поскольку нам легче думать о воде с точки зрения ее объема, а не массы. Кроме того, плотность воды составляет 1,0 г / мл или 1,0 мг / 0,001 мл, что упрощает преобразование между двумя единицами измерения.Например, если мы обнаружим, что содержание свинца в воде составляет 4 ppm, это будет означать, что есть:

7,74 Эквиваленты

Концентрации ионных растворенных веществ иногда выражаются в единицах, называемых эквивалентами (уравнение). Один эквивалент равен 1 моль положительного или отрицательного заряда. Таким образом, 1 моль / л Na ⁺ (водн.) Также составляет 1 экв / л, потому что натрий имеет заряд 1+. Раствор ионов Ca ^{2 +} (водн.) С концентрацией 1 моль / л имеет концентрацию 2 экв / л, потому что кальций имеет заряд 2+.Разбавленные растворы могут быть выражены в миллиэквивалентах (мэкв.) — например, общая концентрация плазмы крови человека составляет около 150 мэкв / л.

В более формальном определении, эквивалент — это количество вещества, необходимое для выполнения одного из следующих действий:

• реагирует или поставляет один моль ионов водорода (H ⁺ ) в кислотно-щелочной реакции
• реагирует или поставляет один моль электронов в окислительно-восстановительной реакции.

Согласно этому определению эквивалент — это количество молей иона в растворе, умноженное на валентность этого иона.Если 1 моль NaCl и 1 моль CaCl ₂ растворяются в растворе, в этом растворе содержится 1 экв. Na, 2 экв. Ca и 3 экв. Cl. (Валентность кальция равна 2, поэтому для этого иона у вас 1 моль и 2 эквивалента.)

(Вернуться к началу)

---

7,8 Разведения

Раствор желаемой концентрации также можно приготовить путем разбавления небольшого объема более концентрированного раствора дополнительным растворителем. Для этой цели часто используется основной раствор, который представляет собой приготовленный раствор известной концентрации.Разбавление основного раствора предпочтительнее при приготовлении растворов с очень слабой концентрацией, потому что альтернативный метод, взвешивание крошечных количеств растворенного вещества, может быть трудным для выполнения с высокой степенью точности. Разбавление также используется для приготовления растворов из веществ, которые продаются в виде концентрированных водных растворов, таких как сильные кислоты.

Раствор желаемой концентрации также можно приготовить путем разбавления небольшого объема более концентрированного раствора дополнительным растворителем.Для этой цели часто используется основной раствор, который представляет собой приготовленный раствор известной концентрации. Разбавление основного раствора предпочтительнее при приготовлении растворов с очень слабой концентрацией, потому что альтернативный метод, взвешивание крошечных количеств растворенного вещества, может быть трудным для выполнения с высокой степенью точности. Разбавление также используется для приготовления растворов из веществ, которые продаются в виде концентрированных водных растворов, таких как сильные кислоты.

Процедура приготовления раствора известной концентрации из основного раствора показана на рисунке 7.10. Требуется вычислить желаемое количество растворенного вещества в конечном объеме более разбавленного раствора, а затем вычислить объем исходного раствора, который содержит это количество растворенного вещества. Помните, что при разбавлении данного количества исходного раствора растворителем , а не изменяет количество присутствующего растворенного вещества, изменяется только объем раствора. Соотношение между объемом и концентрацией основного раствора и объемом и концентрацией желаемого разбавленного раствора, таким образом, может быть выражено математически как:

где M _s — концентрация основного раствора, V _s — объем основного раствора, M _d — концентрация разбавленного раствора, а V _d — объем разбавленного раствора. .

Рисунок 7.10 Приготовление раствора известной концентрации путем разбавления исходного раствора. (a) Объем ( V _s ), содержащий желаемое количество растворенного вещества (M _s ), измеряют из исходного раствора известной концентрации. (b) Отмеренный объем исходного раствора переносят во вторую мерную колбу. (c) Измеренный объем во второй колбе затем разбавляется растворителем до объемной отметки [( V _s ) (M _s ) = ( V _d ) (M _d ). ].

---

Пример расчета разбавления

Какой объем 3,00 М исходного раствора глюкозы необходим для приготовления 2500 мл 0,400 М раствора?

Дано: объем и молярность разбавленного раствора и молярность исходного раствора

Запрошено: объем основного раствора

Стратегия и решение:

Для задач разбавления, если вам известны 3 переменные, вы можете решить для 4-й переменной.

1. Начните с перестановки уравнения, чтобы найти переменную, которую вы хотите найти. В этом случае вы хотите найти объем основного раствора, В _с

2. Затем убедитесь, что одинаковые термины имеют одинаковые единицы измерения. Например, Md и Ms являются концентрациями, поэтому для проведения расчетов они должны быть в одной и той же единице (в данном случае они оба указаны в молярности). Если бы концентрации были разными, скажем, один был дан в молярности, а другой в процентах, или один был в молярности, а другой был в миллимолярности, один из терминов нужно было бы преобразовать, чтобы они совпадали.Таким образом, единицы будут отменены, и в этом случае вы останетесь с единицами громкости.

3. Наконец, заполните уравнение с известными значениями и вычислите окончательный ответ.

Обратите внимание: если требуется 333 мл исходного раствора, вы также можете рассчитать количество растворителя, необходимое для окончательного разбавления. (Общий объем — объем исходного раствора = объем растворителя, необходимый для окончательного разбавления. В этом случае 2500 мл — 333 мл = 2167 мл воды, необходимой для окончательного разбавления (это следует делать в мерном цилиндре или мерной колбе). .

(Вернуться к началу)

---

7,9 Концентрации ионов в растворе

До сих пор мы обсуждали концентрацию всего раствора в терминах общего растворенного вещества, деленного на объем раствора. Давайте более подробно рассмотрим, что это означает при рассмотрении ионных и ковалентных соединений. Когда ионные соединения растворяются в растворе, они переходят в ионное состояние.Катионы и анионы связываются с полярными молекулами воды. Напомним, что растворы, содержащие ионы, называются электролотами из-за их способности проводить электричество. Например, дихромат аммония (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ представляет собой ионное соединение, которое содержит два иона NH ₄ ⁺ и один Cr ₂ O ₇ ²⁻ ионов на формульную единицу. Как и другие ионные соединения, это сильный электролит, который диссоциирует в водном растворе с образованием гидратированных ионов NH ₄ ⁺ и Cr ₂ O ₇ ^2-.Если мы рассмотрим это решение математически, мы увидим, что для каждой молекулы дихромата аммония, которая растворяется, образуются три результирующих иона (два иона NH ₄ ⁺ и один Cr ₂ O ₇ ²⁻ ион). Это также можно представить в более крупном молярном масштабе. Когда 1 моль (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ растворяется, образуется 3 моля ионов (1 моль Cr ₂ O ₇ ^2- анионов и 2 моль катионов NH ₄ ⁺ ) в растворе (рисунок 7.11). Чтобы обсудить взаимосвязь между концентрацией раствора и результирующим количеством ионов, используется термин эквиваленты .

Один эквивалент определяется как количество ионного соединения, которое обеспечивает 1 моль электрического заряда (+ или -). Он рассчитывается путем деления молярности раствора на общий заряд, созданный в растворе.

Рис. 7.11 Растворение 1 моля ионного соединения. Растворение 1 моля формульных единиц дихромата аммония в воде дает 1 моль анионов Cr ₂ O ₇ ²⁻ и 2 моль катионов NH ₄ ⁺ . (Молекулы воды не показаны с молекулярной точки зрения для ясности.)

---

Когда мы проводим химическую реакцию с использованием раствора соли, например дихромата аммония, нам необходимо знать концентрацию каждого иона, присутствующего в растворе. Если раствор содержит 1,43 M (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ , то концентрация Cr ₂ O ₇ ²⁻ также должна быть 1.43 M, потому что на формульную единицу приходится один ион Cr ₂ O ₇ ²⁻. Однако на формульную единицу приходится два иона NH ₄ ⁺ , поэтому концентрация ионов NH ₄ ⁺ составляет 2 × 1,43 М = 2,86 М. Поскольку каждая формульная единица (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ при растворении в воде образует три иона (2NH ₄ ⁺ + 1Cr ₂ O ₇ ^2- ), общая концентрация ионов в решение 3 × 1.43 M = 4,29 M. Эквивалентное значение (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ затем можно рассчитать, разделив 1,43 M на 4,29 M, получив 0,333 эквивалента. Таким образом, для (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ растворение 0,333 моля соединения даст 1 моль ионов в растворе.

Пример 1

Каковы концентрации всех ионных частиц, полученных из растворенных веществ в этих водных растворах?

1. 0.21 М NaOH
2. 3,7 M (CH ₃ ) CHOH
3. 0,032 M In (NO ₃ ) ₃

Дано: молярность

Запрошено: концентраций

Стратегия:

A Классифицируйте каждое соединение как сильнодействующий электролит или как неэлектролит.

B Если соединение неэлектролит, его концентрация равна молярности раствора. Если соединение является сильным электролитом, определите количество каждого иона, содержащегося в одной формульной единице.Найдите концентрацию каждого вида, умножив количество каждого иона на молярность раствора.

Раствор:

1. 0,21 М NaOH

A Гидроксид натрия — это ионное соединение, которое является сильным электролитом (и сильным основанием) в водном растворе:

B Поскольку каждая формульная единица NaOH производит один ион Na ⁺ и один ион OH ^—, концентрация каждого иона такая же, как концентрация NaOH: [Na ⁺ ] = 0.21 M и [OH ^— ] = 0,21

2. 3,7 M (CH ₃ ) CHOH

A Формула (CH ₃ ) ₂ CHOH представляет собой 2-пропанол (изопропиловый спирт) и содержит группу –OH, поэтому это спирт. Напомним из раздела 4.1 «Водные растворы», что спирты — это ковалентные соединения, которые растворяются в воде с образованием растворов нейтральных молекул. Таким образом, спирты не являются электролитами

B Таким образом, единственными растворенными веществами в растворе являются (CH ₃ ) ₂ молекулы CHOH, поэтому [(CH ₃ ) ₂ CHOH] = 3.7 м

3. 0,032 M дюйм (NO ₃ ) ₃

A Нитрат индия — это ионное соединение, которое содержит ионы In ³⁺ и ионы NO ₃ ^—, поэтому мы ожидаем, что он будет вести себя как сильный электролит в водном растворе

B Одна формульная единица In (NO ₃ ) ₃ дает один ион In ³⁺ и три иона NO ₃ ^—, так что 0,032 M In (NO ₃ ) _{3 Решение} содержит 0.032 M In ³⁺ и 3 × 0,032 M = 0,096 M NO ₃ ^— , то есть [In ³⁺ ] = 0,032 M и [NO ₃ ^— ] = 0,096 M

(Вернуться к началу)

---

7.10 Внимание к окружающей среде: загрязнение свинцом

История использования свинца в США

В главе 5 вы познакомились с EPA и с тем, как параметры качества воздуха отслеживаются для определения уровней загрязнения.Одним из шести основных параметров, за которым ведется мониторинг в соответствии с Законом о чистом воздухе, является свинец. Свинец естественным образом встречается в земной коре в очень низких концентрациях, ~ 0,001%, и выглядит как сине-серый металл, мягкий и плотный. Он широко используется в Соединенных Штатах во многих различных продуктах, включая батареи и смеси металлов, в качестве материала для пайки труб и керамики, хрусталя и других известных коммерческих продуктов. Особенно часто свинец использовался в красках для наружных работ и в качестве добавки к бензину (рис.7.12). Из-за растущих проблем со здоровьем использование свинца во многих продуктах было прекращено и прекращено. Однако загрязнение свинцом почвы, воды и воздуха по-прежнему является проблематичным и вызывает повышенный риск для здоровья населения.

Рисунок 7.12 История использования свинца в красках и бензине на протяжении большей части 20 века. На графике показано раннее преобладание свинцовых красок, за которым последовал бум в транспортировке, что привело к высокому использованию этилированного бензина.Спад после середины 1970-х годов был связан с контролем, введенным EPA для исключения этилированного бензина. Источник: Filippelli, et al (2005) используется с разрешения.

---

Национальные стандарты качества окружающего воздуха (NAAQS) для свинца установлены на верхнем пределе 0,15 микрограмм на кубический метр Pb в общем количестве взвешенных частиц в среднем за 3 месяца. Как видно из рисунка 7.13, уровни свинца в атмосфере были очень высокими до середины 1990-х годов, после чего мы наблюдали резкое падение уровней свинца в атмосфере.Этот всплеск содержания свинца в значительной степени связан с выбросами транспортных средств, когда свинец использовался в качестве добавки к бензину. В 1970 году, когда было полностью признано отрицательное воздействие свинца на здоровье, Агентство по охране окружающей среды начало программу сокращения использования свинца в бензине. Полный запрет на этилированный бензин вступил в силу в 1996 году.

Рисунок 7.13 Уровни содержания свинца в атмосфере с 1980 по 2014 год. (A) Как интерпретировать графики качества воздуха от EPA. синяя полоса показывает распределение уровней загрязнения воздуха среди участков тренда, отображая средние 80%.Белая линия представляет собой среднее значение по всем сайтам трендов. Девяносто процентов участков имеют концентрации ниже верхней линии, в то время как десять процентов участков имеют концентрации ниже нижней линии. (B) Максимальный годовой максимальный трехмесячный средний уровень содержания свинца в атмосфере, демонстрирующий снижение уровня загрязнения свинцом на 99% с 1980 по 2017 год. Источник: EPA

---

Использование тетраэтилсвинца (TEL) было определено General Motors в качестве присадки к топливу, повышающей общее октановое число бензина.Это позволило значительно повысить компрессию двигателя, что привело к увеличению производительности автомобиля и большей экономии топлива.

TEL производится путем реакции хлорэтана с натрием — свинцом сплавом

4 NaPb + 4 CH ₃ CH ₂ Cl → (CH ₃ CH ₂ ) ₄ Pb + 4 NaCl + 3 Pb

Продукт регенерируют путем перегонки с водяным паром, оставляя отстой из отходов свинца и хлорида натрия.Несмотря на десятилетия исследований, не было обнаружено никаких реакций, улучшающих этот довольно сложный процесс, который включает металлический натрий и превращает только 25% свинца в TEL. ТЕЛ — вязкая бесцветная жидкость. Поскольку TEL является нейтральным по заряду и содержит внешние углеродные группы, он является липофильным (жиро- любящим) и растворимым в бензине.

При сжигании этилированного бензина выделяется не только диоксид углерода и вода, но и свинец

(CH ₃ CH ₂ ) ₄ Pb + 13 O ₂ → 8 CO ₂ + 10 H ₂ O + Pb

Образующийся свинец также может окисляться при сгорании с образованием оксида свинца (II)

2 Pb + O ₂ → 2 PbO

Образование Pb и PbO внутри автомобильного двигателя быстро накапливается в избытке и вызывает серьезные повреждения двигателя.Таким образом, молекулы, улавливающие свинец, также должны были быть добавлены в бензин для реакции с продуктами свинца, образующимися при сгорании. Обычно для этого процесса использовались 1,2-дибромэтан и 1,2-дихлорэтан. Эти агенты реагируют с побочными продуктами свинца и образуют летучий бромид свинца (II) и хлорид свинца (II), которые затем могут выбрасываться в атмосферу из двигателя.

Повышенные уровни свинца в атмосфере, вызванные использованием автомобилей, сильно коррелировали с повышенными уровнями свинца в крови среди населения.

7.14 Снижение среднего уровня свинца в крови у детей в США и общего количества свинца, использованного в год в бензине в 1974-1992 годах (адаптировано из U.S.EPA 1999).

---

Биологические эффекты свинца

После того, как свинец попадает в организм, он не выводится из организма. Вместо этого он накапливается в минерализующихся тканях, таких как кости и зубы, или в мягких тканях, таких как печень, почки и мозг. Мозг очень чувствителен. Проведенное в Цинциннати исследование продемонстрировало, что воздействие свинца в детстве вызывает потерю серого вещества в мозге, особенно в лобных областях, участвующих в исполнительной функции и принятии решений (рис.7.15).

Рис. 7.15. Воздействие свинца в детстве уменьшает размер мозга. Мозг взрослых, подвергшихся воздействию свинца в детстве, показывает уменьшенный объем, особенно в префронтальной коре на МРТ. Области потери объема показаны цветом на шаблоне нормального мозга. Источник: Cecil, KM, et al.

---

Острое воздействие свинца может вызвать отравление свинцом и вызвать боли в животе, запоры, головные боли, раздражительность, проблемы с памятью, неспособность иметь детей и покалывание в руках и ногах.Это вызывает почти 10% умственной отсталости по другой неизвестной причине и может привести к поведенческим проблемам. Некоторые эффекты постоянны. В тяжелых случаях возможны анемия, судороги, кома или смерть.

Воздействие свинца может происходить через загрязненный воздух, воду, пыль, продукты питания или товары широкого потребления что они едят. Воздействие свинца на работе — частая причина отравления свинцом у взрослых людей определенных профессий, которым грозит особый риск.Диагноз обычно ставится путем измерения уровня свинца в крови. Центры по контролю за заболеваниями (США) установили верхний предел содержания свинца в крови для взрослых на уровне 10 мкг / дл (10 мкг / 100 г) и для детей на уровне 5 мкг / дл.

Интересная корреляция: преступность и уровни свинца в крови

Ряд исследований, проведенных за последнее десятилетие, показали сильную корреляцию между уровнем свинца в крови дошкольного возраста и последующим уровнем преступности, особенно насильственных преступлений, произошедших 20 лет спустя (Рисунок 7.16).

Рис. 7.16. Соотношение уровней содержания свинца в крови в дошкольном возрасте и насильственных преступлений, совершенных 23 года спустя.

---

В начале 1990-х годов убийства и насильственные преступления достигли рекордного уровня, которому не видно конца. Однако к концу 1990-х годов количество насильственных преступлений по стране сократилось на 40%. Было предложено множество гипотез этого быстрого спада, включая увеличение количества заключенных и увеличение количества полицейских.Однако уровни свинца в крови показывают очень сильную корреляцию с частотой насильственных преступлений с запаздыванием примерно в 20 лет. Кроме того, исследования на животных, в том числе на хомяках и кошках, показали, что воздействие свинца увеличивает или усиливает агрессивное поведение. Кроме того, данные, собранные Риком Невином из других стран (Франция, Западная Германия, Италия и Австралия), которые имеют разные уровни тюремного заключения и охраны правопорядка, показывают аналогичные тенденции в насильственных преступлениях с уровнями свинца в крови у детей.Таким образом, есть убедительные доказательства того, что повышенное воздействие свинца в детстве в результате употребления этилированного бензина объясняет, по крайней мере частично, рост уровня насильственной преступности в 1980-х и начале 1990-х годов в Соединенных Штатах.

Текущие проблемы и опасения

Несмотря на то, что использование свинца за последние 40-50 лет резко сократилось, он все еще может быть обнаружен в повышенных концентрациях в почвах, особенно в городских и промышленных районах.Кроме того, свинец ранее использовался для строительства водопроводных труб, поскольку он прочен и податлив. Свинец больше не используется для строительства труб, но в более старых городах, таких как Флинт, все еще есть свинцовые трубы, а также медные и железные водопроводные трубы, в стыках и соединениях которых использовалась свинцовая пайка. В апреле 2014 года это стало серьезной проблемой для жителей Флинта, штат Мичиган. Город Флинт, штат Мичиган, столкнулся с серьезными финансовыми проблемами и, пытаясь сэкономить деньги, решил построить новый водопровод от озера Гурон для обеспечения питьевой водой этого района.Экономия затрат оценивалась примерно в 10 миллионов долларов в год. Однако на строительство трубопровода потребуется несколько лет. Таким образом, чтобы сразу сэкономить деньги, город Флинт решил временно переключить городскую воду на реку Флинт на время завершения строительства нового трубопровода. Однако с речной водой может быть труднее справиться из-за более сильных колебаний остатков стока, и почти сразу же жители Флинта, штат Мичиган, начали жаловаться на неприятный запах, некрасивую воду, идущую из кранов (рис.7.17).

Рисунок 7.17. Ли-Энн Уолтерс демонстрирует образцы водопроводной воды на публичном собрании в январе 2015 года. Источник: Ladapo, J.A, et. al. (2017).

---

Анализ воды первоначально показал высокий уровень фекальных колиформных бактерий, из-за чего Флинт, штат Мичиган, выпустил рекомендации по кипячению и увеличил количество хлора, используемого для обработки воды. Это, в свою очередь, увеличило производство тригалометанов. Тригалометаны образуются во время реакции дезинфицирующих средств на основе хлора в воде с присутствующими органическими веществами, такими как те, которые образуются водорослями, присутствующими в реке Флинт.Тригалометаны связаны со многими проблемами со здоровьем, включая проблемы с печенью, почками и легкими, а также создают неприятный запах и привкус воды. Они также опасны при вдыхании, делая душ в горячей загрязненной воде серьезным риском для здоровья.

Таким образом, в попытке уменьшить образование побочных продуктов тригалогенметана, город Флинт начал добавлять в воду больше FeCl ₃ , чтобы помочь удалить дополнительные органические материалы из этого источника воды.Однако они не смогли добавить никаких молекул, контролирующих коррозию, таких как ортофосфат. Многие водоочистные сооружения используют низкие концентрации ортофосфатов для взаимодействия со свинцом в трубах и образования нерастворимого фосфата свинца, который не проникает в водопровод (рис. 7.18). Отсутствие контроля над коррозией со стороны города Флинт в сочетании с повышенным количеством FeCl ₃ привело к резкому увеличению количества присутствующих ионов Cl ^—. Результатом было общее увеличение потенциала коррозии, измеряемого по массовому отношению хлорида к сульфату, от 0.45 для системы водоснабжения Детройта до 1,60 для новой системы водоснабжения реки Флинт. Имея такой потенциал коррозии, молекулы кислорода в воде начали окисляться и выделять растворимые формы свинца в водную систему (рис. 7.18). В дополнение к окисленным побочным продуктам свинца выделялись окисленные формы железа, вызывающие большее обесцвечивание воды.

Рис. 7.18. Процесс коррозии во время водного кризиса во Флинте, штат Мичиган.

---

Чтобы увидеть интерактивную анимацию этого химического процесса, посмотрите этот

Видео журнала Scientific American — Коррозионная химия: как свинец попал в питьевую воду Флинта

---

Из-за протеста общественности и отказа города Флинта принимать меры в связи с плохим качеством воды компания Virgina Tech начала программу тестирования воды и обнаружила чрезвычайно высокие уровни свинца во многих домах во Флинте, штат Мичиган.CDC заявляет, что не существует безопасных уровней свинца, которые можно было бы употреблять в пищу, а стандарты EPA ограничивают содержание свинца в питьевой воде до 15 частей на миллиард. Самый высокий образец, зарегистрированный Технологическим институтом штата Вирджиния, составил 13 000 частей на миллиард из образца в доме Ли-Энн Уолтерс (рис. 7.17). Город Флинт вернулся к использованию системы водоснабжения Детройта в октябре 2015 года. Однако риск воздействия свинца на детей, находящихся в этом районе, превышающий установленные CDC предельные уровни в крови, за это время увеличился вдвое (рис. 7.19). Несколько судебных исков, находящихся на рассмотрении, в настоящее время находятся в стадии рассмотрения из-за халатности властей города Флинт и органов, регулирующих качество воды в регионе.

Рисунок 7.19. Сравнение уровней свинца в крови во Флинте, штат Мичиган, до и после переключения на источник воды реки Флинт. Верхняя диаграмма показывает, что качество воды в 1 из 6 домов во Флинте, штат Мичиган, проверено выше пределов безопасности EPA для свинца после перехода на источник воды в реке Флинт. Нижняя панель показывает уровни свинца в крови у детей, регулярно проверяемые на уровни свинца в крови в районе как до, так и после перехода на новый источник воды. Источник: Flint Water Study

.

---

Предлагаемое задание: Учителя могут загрузить дискуссионное задание на тему «Экологическая несправедливость и влияние токсичного загрязнения воды во Флинте, штат Мичиган,

».

Flint Water Crisis Environmental Justice Assignment

---

7.11 Резюме

Чтобы убедиться, что вы понимаете материал этой главы, вам следует проанализировать значения терминов, выделенных жирным шрифтом в следующем резюме, и спросить себя, как они соотносятся с темами в главе.

Раствор представляет собой однородную смесь. Основным компонентом является растворитель , а второстепенным компонентом — растворенное вещество . Решения могут иметь любую фазу; например, сплав представляет собой твердый раствор.Растворимые вещества — это растворимые или нерастворимые , что означает, что они растворяются или не растворяются в конкретном растворителе. Термины смешивающийся, и несмешивающийся, вместо «растворимый и нерастворимый» используются для жидких растворенных веществ и растворителей. Утверждение « как растворяется как » является полезным руководством для прогнозирования того, будет ли растворенное вещество растворяться в данном растворителе.

Растворение происходит путем сольватации , процесса, в котором частицы растворителя окружают отдельные частицы растворенного вещества, разделяя их с образованием раствора.Для водных растворов используется слово гидратация . Если растворенное вещество является молекулярным, оно растворяется на отдельные молекулы. Если растворенное вещество является ионным, отдельные ионы отделяются друг от друга, образуя раствор, который проводит электричество. Такие растворы называются электролитами . Если диссоциация ионов завершена, раствор представляет собой сильный электролит . Если диссоциация только частичная, раствор представляет собой слабый электролит . Растворы молекул не проводят электричество и называются неэлектролитами .

Количество растворенного вещества в растворе представлено концентрацией раствора. Максимальное количество растворенного вещества, которое будет растворяться в данном количестве растворителя, называется растворимостью растворенного вещества. Таких решений насыщенных . Растворы с количеством меньше максимального — ненасыщенные . Большинство растворов являются ненасыщенными, и их концентрацию можно указать разными способами. Массовый / массовый процент , объем / объемный процент и массовый / объемный процент указывают процент растворенного вещества в общем растворе. частей на миллион (ppm) и частей на миллиард (ppb) используются для описания очень малых концентраций растворенного вещества. Молярность , определяемая как количество молей растворенного вещества на литр раствора, является стандартной единицей концентрации в химической лаборатории. Эквиваленты выражают концентрации в молях заряда на ионах. Когда раствор разбавляется, мы используем тот факт, что количество растворенного вещества остается постоянным, чтобы можно было определить объем или концентрацию конечного разбавленного раствора.Растворы известной концентрации могут быть приготовлены либо путем растворения известной массы растворенного вещества в растворителе и разбавления до желаемого конечного объема, либо путем разбавления соответствующего объема более концентрированного раствора (исходный раствор ) до желаемого конечного объема.

Ключевые вынос

• Концентрации раствора обычно выражаются в виде молярности и могут быть получены путем растворения известной массы растворенного вещества в растворителе или разбавления исходного раствора.

Концептуальные проблемы

1. Какое из представлений лучше всего соответствует 1 М водному раствору каждого соединения? Обоснуйте свои ответы.

   1. NH ₃
   2. ВЧ
   3. CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH

   4. Na ₂ SO ₄

2. Какое из представлений, показанных в задаче 1, лучше всего соответствует 1 М водному раствору каждого соединения? Обоснуйте свои ответы.

   1. CH ₃ CO ₂ H
   2. NaCl
   3. Na ₂ S
   4. Na ₃ PO ₄
   5. ацетальдегид

3. Можно ли ожидать, что 1,0 М раствор CaCl ₂ будет лучше проводить электричество, чем 1,0 М раствор NaCl? Почему или почему нет?

4. Альтернативный способ определения концентрации раствора — моляльность , сокращенно м .Моляльность определяется как количество молей растворенного вещества в 1 кг растворителя . Чем это отличается от молярности? Ожидаете ли вы, что 1 M раствор сахарозы будет более или менее концентрированным, чем 1 m раствор сахарозы? Поясните свой ответ.

5. Каковы преимущества использования решений для количественных расчетов?

Ответ

1. a) Nh4 является слабым основанием, что означает, что некоторые молекулы будут принимать протон от молекул воды, заставляя их диссоциировать на ионы H + и -OH.Ион H + будет ассоциироваться с Nh4 с образованием Nh5 +. Таким образом, это будет больше всего похоже на стакан №2. б) HF — слабая кислота, хотя F сильно электроотрицателен. Это связано с тем, что молекула H-F может образовывать прочные водородные связи с молекулами воды и оставаться в ковалентной связи, которую труднее диссоциировать. Таким образом, стакан № 2 также является хорошим выбором для этой молекулы, так как только часть H-F будет диссоциировать на ионы h4O + и F-. c) CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH является ковалентным соединением и не будет диссоциировать в какой-либо заметной степени, поэтому стакан № 3 является правильным выбором.г) Na ₂ SO ₄ — растворимое ионное соединение, которое полностью диссоциирует на ионы, больше всего напоминающие химический стакан № 1.
   

3. Да, потому что когда CaCl ₂ диссоциирует, он образует 3 иона (1 Ca ²⁺ и 2 иона Cl ^—), тогда как NaCl будет диссоциировать только на 2 иона (Na ⁺ и Cl ^—). для каждой молекулы. Таким образом, CaCl ₂ будет генерировать больше ионов на моль, чем 1 моль NaCl, и будет лучше проводить электричество.

5. Если количество вещества, необходимое для реакции, слишком мало для точного взвешивания, использование раствора вещества, в котором растворенное вещество диспергировано в гораздо большей массе растворителя, позволяет химикам измерить количество вещества. вещество, точнее.

Числовые задачи

1. Рассчитайте количество граммов растворенного вещества в 1.000 л каждого раствора.

   1. 0,2593 M NaBrO ₃
   2. 1.592 М КНО ₃
   3. 1,559 М уксусная кислота
   4. 0,943 M йодат калия

2. Рассчитайте количество граммов растворенного вещества в 1.000 л каждого раствора.

   1. 0,1065 млн бай ₂
   2. 1,135 M Na ₂ SO ₄
   3. 1,428 M NH ₄ Br
   4. 0,889 М ацетат натрия

3. Если все растворы содержат одно и то же растворенное вещество, какой раствор содержит большую массу растворенного вещества?

   1. 1.40 л 0,334 М раствора или 1,10 л 0,420 М раствора
   2. 25,0 мл 0,134 М раствора или 10,0 мл 0,295 М раствора
   3. 250 мл 0,489 М раствора или 150 мл 0,769 М раствора

4. Заполните следующую таблицу для 500 мл раствора.

   Соединение	Масса (г)	Родинки	Концентрация (М)
   сульфат кальция	4,86 ​​
   уксусная кислота		3.62
   дигидрат иодистого водорода			1,273
   бромид бария	3,92
   глюкоза			0,983
   ацетат натрия		2,42

5. Какая концентрация каждого вида присутствует в следующих водных растворах?

   1. 0,489 моль NiSO ₄ в 600 мл раствора
   2. 1.045 моль бромида магния в 500 мл раствора
   3. 0,146 моль глюкозы в 800 мл раствора
   4. 0,479 моль CeCl ₃ в 700 мл раствора

6. Какая концентрация каждого вида присутствует в следующих водных растворах?

   1. 0,324 моль K ₂ MoO ₄ в 250 мл раствора
   2. 0,528 моль формиата калия в 300 мл раствора
   3. 0,477 моль KClO ₃ в 900 мл раствора
   4. 0.378 моль йодида калия в 750 мл раствора

7. Какова молярная концентрация каждого раствора?

   1. 8,7 г бромида кальция в 250 мл раствора
   2. 9,8 г сульфата лития в 300 мл раствора
   3. 12,4 г сахарозы (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ) в 750 мл раствора
   4. 14,2 г гексагидрата нитрата железа (III) в 300 мл раствора

8. Какова молярная концентрация каждого раствора?

   1. 12.8 г гидросульфата натрия в 400 мл раствора
   2. 7,5 г гидрофосфата калия в 250 мл раствора
   3. 11,4 г хлорида бария в 350 мл раствора
   4. 4,3 г винной кислоты (C ₄ H ₆ O ₆ ) в 250 мл раствора

9. Укажите концентрацию каждого реагента в следующих уравнениях, принимая 20,0 г каждого и объем раствора 250 мл для каждого реагента.

   1. BaCl ₂ (водн.) + Na ₂ SO ₄ (водн.) →
   2. Ca (OH) ₂ (водн.) + H ₃ PO ₄ (водн.) →
   3. Al (NO ₃ ) ₃ (водн.) + H ₂ SO ₄ (водн.) →
   4. Pb (NO ₃ ) ₂ (водн.) + CuSO ₄ (водн.) →
   5. Al (CH ₃ CO ₂ ) ₃ (водн.) + NaOH (водн.) →

10. На эксперимент потребовалось 200.0 мл 0,330 М раствора Na ₂ CrO ₄ . Для приготовления этого раствора использовали исходный раствор Na ₂ CrO ₄ , содержащий 20,0% растворенного вещества по массе с плотностью 1,19 г / см ³ . Опишите, как приготовить 200,0 мл 0,330 М раствора Na ₂ CrO ₄ с использованием исходного раствора.

11. Гипохлорит кальция [Ca (OCl) ₂ ] — эффективное дезинфицирующее средство для одежды и постельного белья. Если в растворе концентрация Ca (OCl) ₂ равна 3.4 г на 100 мл раствора, какова молярность гипохлорита?

12. Фенол (C ₆ H ₅ OH) часто используется в качестве антисептика в жидкостях для полоскания рта и пастилках для горла. Если в жидкости для полоскания рта концентрация фенола составляет 1,5 г на 100 мл раствора, какова молярность фенола?

13. Если таблетка, содержащая 100 мг кофеина (C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ ), растворяется в воде с получением 10,0 унций раствора, какова молярная концентрация кофеина в растворе?

14. На этикетке определенного лекарства есть инструкция по добавлению 10.0 мл стерильной воды, заявив, что каждый миллилитр полученного раствора будет содержать 0,500 г лекарства. Если пациенту назначена доза 900,0 мг, сколько миллилитров раствора следует ввести?

ответы

1. а. 39,13 г б. 161,0 г c. 93,57 г г. 201,8 г

3. а. 1,40 л 0,334 М раствора, б. 25,0 мл 0,134 М раствора, c. 150 мл 0,769 М раствора

5. а.0.815 М, г. 2.09 М, c. 0.182 М, д. 0,684 M

7. а. 0.174 М, г. 0.297 М, c. 0,048 М, д. 0,135 М

9. а. BaCl ₂ = 0,384 M, Na ₂ SO ₄ = 0,563 M, б. Ca (OH) ₂ = 1.08 M, h4PO4 = 0.816 M, c. Al (NO ₃ ) ₃ = 0,376 M, H ₂ SO ₄ = 0,816 M, д. Pb (NO ₃ ) ₂ = 0,242 M, CuSO ₄ = 0,501 M, т.е. Al (CH ₃ CO ₂ ) = 0.392 M, NaOH = 2,00 M

13. 1,74 × 10 ⁻³ M кофеин

(Вернуться к началу)

---

7.12 Ссылки

• Чанг (Питер) Чие (2016) Неорганическая химия. Либретексты . Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Inorganic_Chemistry/Chemical_Reactions/Chemical_Reactions_1/Solutions
.
• Болл, Д.У., Хилл, Дж. У. и Скотт, Р. Дж. (2016) MAP: Основы общей, органической и биологической химии . Свободные тексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)
• Аверилл, Б.А., Элдридж, П. (2012) Принципы химии . Свободные тексты. Доступно по адресу: https://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/index.html
• Гидрат. (2017, 30 августа).В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 16:20, 26 сентября 2017 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrate&oldid=798015169
.
• Нижний, С. (2010). Растворы 1: Растворы и их концентрации. В онлайн-учебнике «Виртуальный учебник Chem1». Доступно по адресу: http://www.chem1.com/acad/webtext/solut/solut-1.html
• Мичиганская сеть по охране окружающей среды детей (2013 г.) Здоровье детей в окружающей среде в Мичигане.Вики по гигиене окружающей среды. Проверено 6 сентября 2018 г. по адресу: http://wiki.mnceh.org/index.php/Neurotoxicity:_Lead
.
• авторов Википедии. (2018, 5 сентября). Отравление свинцом. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 02:05, 7 сентября 2018 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lead_poisoning&oldid=858177302
.
• Ladapo, J.A., Mohammed, A.K., and Nwosu, V.C. (2017) Загрязнение свинцом во Флинте, Мичиган, США и других городах. Международный журнал экологического и научного образования, 11 (5): 1341-1351.Открытый доступ. Доступно по адресу: www.ijese.net/makale_indir/1899

.